“L’intelligence est secondaire en recherche” Understand article

Traduction par H. Boffin. Peut-on faire du sport de haut niveau et faire en même temps partie d’une équipe qui essaie de comprendre l’Univers? Bien sûr– demandez par exemple à Tamara Davis. Henri Boffin de l'ESO a discuté avec elle à Copenhague, au Danemark.

Il y a dix ans, une ‘bombe’ explosa en astronomie: suite à de nouvelles observations, le modèle standard de l’Univers, alors dominant, devait être abandonné et remplacé par de nouvelles théories (voir Landua & Rau, 2008, pour une discussion du modèle standard).

D’après le modèle de la formation de l’Univers en vogue, la théorie du Big Bang, l’Univers est né dans un état très chaud et dense, et est depuis en expansion (comme décrit par exemple par Peebles, 2001). La preuve de cette expansion fut fournie en 1929 par l’astronome américain Edwin Hubble, qui montra que la vitesse à laquelle une galaxie s’éloigne de nous est proportionnelle à sa distance de la Terre. C’est la loi de Hubble.

Les dernières observations montrent que cette expansion, au lieu de ralentir, comme on s’y attendrait si la gravité était la seule force présente, est en train d’accélérer. Les galaxies s’éloignent les unes des autres de plus en plus vite (voir, par exemple, Leibundgut & Sollerman, 2001).

«Les astronomes ont donc développé l’idée d’une énergie sombre, qui est le nom que nous donnons à la source mystérieuse d’accélération de l’Univers,» explique l’astronome Tamara Davis. «Nous ne savons pas encore ce que c’est. Cela pourrait être une sorte de matière ayant des propriétés anti-gravitationnelles, auquel cas cette chose bizarre constituerait plus de 70% de l’énergie de l’Univers. Ou il se peut que notre théorie de la gravitation soit incomplète, de la même façon que la théorie de Newton a dû être complétée par la théorie de la relativité générale d’Einstein.»

Maintenant que les astronomes ont aussi la preuve que 25% de l’Univers est constitué d’une forme inconnue de matière (comme décrit par Warmbein, 2007) – la matière noire – nous ne connaissons finalement que 5% de notre Univers. Cela impose une bonne dose de modestie!

Tamara travaille au Centre pour la Cosmologie Noire (Dark Cosmology Centre) à Copenhague, au Danemark, et collabore avec des gens dans le monde entier dans de grandes équipes, un peu comme celles qui existent pour s’attaquer aux questions fondamentales en physique des particules. Tamara fait partie de la collaboration ESSENCE^w1 qui étudie les supernovae afin de comprendre l’énergie sombre. Elle commença à travailler sur ce sujet extraordinaire lorsqu’elle a rejoint l’Université Nationale Australienne et l’Observatoire du Mont Stromlo en 2003, après avoir terminé sa thèse de doctorat à l’Université des Nouvelles Galles du Sud, en Australie. «J’ai eu beaucoup de chance de travailler avec un scientifique vraiment stimulant, Brian Schmidt, qui est l’un des chercheurs ayant découvert que l’expansion de l’Univers s’accélère.»

Une façon de déterminer les propriétés de l’énergie sombre est de mesurer les distances et les vitesses de sources de lumière distantes afin de calculer de combien l’Univers se dilate en fonction du temps. Pour cela, les astronomes observent principalement les supernovae de type Ia (Székely & Benedekfi, 2007) – c’est-à-dire des étoiles qui explosent. Les plus distantes des supernovae ayant été observées sont si lointaines qu’elles ont en fait explosé alors que la Terre n’était pas encore formée. Leur lumière a commencé son long voyage vers nous avant que le Soleil n’a commencé à briller – n’oubliez pas que parce que la lumière voyage à une vitesse finie, voir loin signifie voir dans le passé.

Parce qu’elles sont si éloignées, très peu de lumière nous arrive, et de telles observations ne peuvent se faire qu’avec les plus puissants des télescopes, comme le Very Large Telescope de l’ESO^w2 (voir Pierce-Price, 2006), ou les télescopes Keck^w3 et Gemini^w4 – tous se trouvant dans des endroits isolés avec des conditions climatiques parfaitement adaptées aux observations (presque pas de nuages, ni de vapeur d’eau, et une atmosphère ténue). En observant un grand nombre de supernovae couvrant un large éventail de distances, et en mesurant leurs distances et leurs vitesses, il est possible de mesurer comment l’expansion de l’Univers change avec le temps.

La collaboration ESSENCE est un groupe d’environ 30 chercheurs du monde entier, qui travaillent ensemble pour découvrir les supernovae distantes afin de pouvoir les utiliser pour comprendre l’accélération de l’expansion de l’Univers et l’énergie sombre. Tamara a la lourde tâche d’essayer de comprendre ce que les mesures de supernovae nous apprennent vraiment. Après qu’elle ait fait sa part d’observations, elle laisse ses collaborateurs transformer les images brutes des supernovae en des informations sur leurs distances et leurs vitesses. Entre-temps, elle étudie les différentes théories d’énergie sombre et ce que celles-ci prédisent. Lorsque les observations sont prêtes, son travail consiste à comparer les données avec les théories et à essayer de trouver celle qui fonctionne le mieux.

«Le travail que je préfère, et de loin, est celui qui consiste à observer avec les grands télescopes, particulièrement ceux au Chili. Utiliser des télescopes spatiaux [qui ne souffrent pas des effets absorbants et de brouillage de l’atmosphère terrestre] est aussi très cool, mais on ne peut contrôler le télescope soi-même. Par contre, aller aux télescopes dans les Andes chiliennes, comme le Very Large Telescope, est extraordinaire. L’expérience qui consiste à voyager jusqu’en Amérique du Sud, prendre le bus jusqu’à un endroit isolé et sauvage dans le désert et voir soudain un gigantesque télescope apparaître à l’horizon semble sortir tout droit d’un film de science fiction. Pourtant c’est bien réel et vous avez une machine de précision de la taille d’un bâtiment qui vous obéit. C’est fantastique.»

Tamara n’a pas seulement utilisé des télescopes dans les Andes chiliennes – chez elle, en Australie, elle a utilisé de nombreux télescopes, et elle a vécu des expériences mémorables. Une fois, elle fut bloquée au-dehors de l’enclos du télescope car une meute de kangourous se trouvait devant la porte.

Mais Tamara a aussi la tête tournée vers l’espace. À Copenhague, elle fait partie d’un groupe qui propose de construire un observatoire spatial, appelé SNAP (SuperNova Acceleration Probe^w5). SNAP est conçu pour mesurer l’expansion de l’Univers et déterminer la nature de la mystérieuse énergie sombre. «J’adore raconter aux gens qu’une partie de mon travail est de construire un vaisseau spatial,» s’amuse-t-elle.

Mais de quoi s’agit-il vraiment? «Nous essayons de comprendre les briques fondamentales de l’Univers et la façon dont les lois physiques agissent. Les progrès dans nos connaissances qui découleront de ce travail seront vraiment prodigieuses, même si la transformation de cette recherche fondamentale en applications pratiques peut prendre du temps. Les théories actuelles n’expliquent pas cette énergie sombre, mais elles sont suffisamment flexibles que pour permettre son existence.»

«Ce que je trouve le plus excitant c’est le fait qu’expliquer l’accélération de l’expansion de l’Univers peut, selon les théories prévalentes, nécessiter la fusion de la théorie de la gravitation et la mécanique quantique – la physique du plus grand avec celle du plus petit. J’aime l’interconnectivité de la nature lorsque l’on se rend compte que la physique des particules les plus minimes qui composent les êtres humains peut avoir un effet sur l’Univers tout entier. N’est-ce pas époustouflant?»

D’après Tamara et la plupart de ses collègues, les évidences de l’existence de l’énergie sombre sont maintenant quasi incontournables. «Si ce n’étaient que les supernovae qui conduisaient à une telle idée bizarre, il serait sans doute aisé de suggérer qu’il y a quelque chose que nous avons oublié dans nos observations, que nous avons fait une erreur quelque part. Mais depuis la découverte initiale, les évidences s’accumulent, basées sur des tests observationnels complètement différents, et elles requièrent toutes l’énergie sombre.»

Le rayonnement de fond diffus cosmologique^w6 (le résidu du Big Bang), les observations d’amas de galaxies, les mesures des oscillations acoustiques de baryon (la distribution des galaxies dans le ciel), les lentilles gravitationnelles faibles et fortes (pour une courte description de l’effet de lentille gravitationnelle, voir Jørgensen, 2006) – toutes ces mesures fondamentalement différentes, qui scrutent des phénomènes physiques différents, concordent toutes pour dire que l’expansion de l’Univers ne peut s’expliquer sans énergie sombre (voir Peebles, 2001).

On pourrait croire que suivre une telle quête ne laisserait pas beaucoup de temps pour faire autre chose que la recherche. Mais Tamara excelle pourtant dans d’autres matières que la physique. Lorsqu’elle faisait sa thèse, elle a eu pendant deux ans un mandat de membre du comité exécutif de l’association sportive de l’université, organisant le sport pour plus de 30 000 étudiants. Elle a participé à des championnats nationaux dans pas moins de 6 sports. Elle est monitrice de ski, professeur de gymnastique et sauveteur en surf.

Aux championnats du monde d’Ultimate (frisbee) en Allemagne en 2000, Tamara a représenté son pays pour la première fois et est depuis restée un membre actif de l’équipe australienne, obtenant en temps que vice-capitaine la 5ème place aux championnats du monde en Finlande en 2004. Le frisbee Ultimate est un sport d’équipe qui se joue sur un terrain de rugby (sans les poteaux). Il est auto-arbitré : les joueurs décident eux-mêmes des fautes, ce qui requiert à la fois du fair-play et la confiance dans l’équipe adverse. C’est pourquoi les joueurs votent à la fin de chaque tournoi pour choisir laquelle des équipes a été la plus honnête. Malgré ses bons résultats sportifs, l’équipe de Tamara a gagné le prix de «l’esprit du jeu» (spirit of the game) aux deux championnats, ce qui est assez extraordinaire.

Avec une telle passion et une telle dévotion au sport et à la physique, il n’est sans doute pas surprenant que Tamara envisageait de devenir astronaute. Malheureusement pour ceux qui ne sont pas Américains, ce n’est guère chose facile, mais Tamara ayant aussi la nationalité Canadienne, elle a bien l’intention de se porter candidate si un poste s’ouvre à l’Agence Spatiale Canadienne. Entre-temps, comme devenir astronaute paraît peu probable, l’astronomie est ce qu’elle préfère. Cette décision fut influencée par un professeur de physique au lycée particulièrement motivant. «C’était un astronome amateur et il avait acheté un petit télescope pour l’école que l’on pouvait utiliser la nuit. Il a aussi emmené plusieurs d’entre nous pour un week-end astronomique, ce qui fut une expérience mémorable car j’y fus confrontée pour la première fois à la relativité. J’étais ‘mordue’.»

Tamara pense qu’il ne faut pas grand chose pour être bon en science – juste un sens naturel d’émerveillement pour le monde qui nous entoure et pour comprendre comment cela fonctionne. «J’ai appris que l’intelligence n’est que secondaire en recherche. L’intérêt et l’inspiration sont des signes bien plus sûrs pour savoir si quelqu’un aura une carrière scientifique réussie,» dit-elle.

Les intérêts de Tamara ne s’arrêtent pas à l’énergie sombre. Une partie de sa recherche passée concernait certains sujets assez audacieux, montrant (entre autres) que l’Univers peut se dilater bien plus vite que la vitesse de la lumière, que cette dernière n’est peut-être pas une constante, et que l’apparition rapide de la vie sur Terre suggère que la vie dans l’Univers est omniprésente.

Elle enseigne aussi à l’université, une activité qu’elle apprécie particulièrement. «Je suppose que c’est parce que je suis tellement passionnée par ce que j’étudie que je trouve très enrichissant de transmettre cet enthousiasme aux autres. J’adore voir cet instant où quelqu’un comprend un concept compliqué, ou ce moment où ils font ‘wow’ parce qu’ils apprennent quelque chose qu’ils ne savaient pas.»

References

• Jørgensen, UG (2006) Y a-t-il des planètes semblables à la Terre en orbite autour d’autres étoiles que le Soleil? Science in School 2.
• Landua R, Rau M (2008) Le LHC ou comment se rapprocher du Big Bang. Science in School 10.
• Leibundgut B, Sollerman J (2001) A cosmological surprise: the Universe accelerates. Europhysics News 32(4): 4. www.eso.org/~bleibund/papers/EPN/epn.html
• Levin J (2003) How the Universe Got Its Spots: Diary of a Finite Time in a Finite Space. New York, NY, USA: Anchor Books
• Peebles J (2001) Making sense of modern cosmology. Scientific American 284: 44. www.sciam.com/article.cfm?id=making-sense-of-modern-co
• Pierce-Price D (2006) Une journée dans la vie d’un des plus grands télescopes au monde. Science in School 1.
• Székely P, Benedekfi O (2007) Fusion dans l Univers: lorsque meurt une étoile géante…. Science in School 6.
• Warmbein B (2007) Making dark matter a little brighter. Science in School 5: 78-80.

Web References

• w1 – Pour plus d’informations concernant la collaboration ESSENCE (Equation of State: SupErNovae trace Cosmic Expansion), voir: www.ctio.noao.edu/wproject
• w2 – Pour plus d’informations concernant l’ESO (the European Southern Observatory), visitez: www.eso.org/outreach/eduoff
• w3 – Le site de l’Observatoire Keck, à Hawaii, Etats-Unis: www.keckobservatory.org
• w4 – Le site de l’Observatoire Gemini: www.gemini.edu
• w5 – Le site de SNAP: http://snap.lbl.gov
• w6 – La sonde WMAP (Wilkinson Microwave Anisotropy Probe) de la NASA produit une grande quantité de données précises en cosmologie. WMAP a réalisé la première carte du ciel en micro-ondes. WMAP mesure le rayonnement de fond cosmologique – la lumière résiduelle du Big Bang, décalée vers les longueurs micro-ondes à cause de l’expansion de l’Univers. Pour plus d’information sur WMAP, voir: http://map.gsfc.nasa.gov

Resources

• Pour plus d’informations sur Tamara et son travail, consultez sa page web (en anglais): www.dark-cosmology.dk/~tamarad/index.html

Institutions

Review

Deux sujets poussent les ‘ados’ à étudier la physique: les questions fondamentales concernant la façon dont l’Univers a eu ses taches (cf. Levin, 2003), et l’astronomie. Aucun de ces deux sujets ne se trouve dans les curriculums traditionnels des écoles secondaires, mais cet article contient un peu des deux. Les élèves trouveront sans doute intéressant que l’étude des supernovae avec des télescopes peut aider à prouver (ou infirmer) le modèle standard de la cosmologie.

De plus, beaucoup de non-scientifiques – les élèves inclus – imaginent encore que les physiciens sont des intellos mâles, ‘coincés’ et maigrelets, plutôt autistes que normaux, ou des ‘barjos’ barbus et portant lunettes (ou dans le cas très peu probable où elles sont féminines, de vieilles filles bizarres sans aucune vie en dehors du labo) qui travaillent seuls, en ne voyant jamais la lumière du jour. La description d’une vraie physicienne, que les élèves pourraient souhaiter rencontrer ou avoir comme collaboratrice, voire imiter, est bienvenue. De plus, le travail que Tamara fait, nécessitant une collaboration internationale, des voyages vers des endroits exotiques, et de s’amuser avec des méga-jouets, peuvent même persuader les élèves qu’une carrière en physique peut être vraiment intéressante, voir excitante et amusante.

Les professeurs peuvent utiliser cet article pour stimuler plusieurs discussions:

• comment la science avance grâce aux expériences, et comment les idées changent et les théories doivent être modifiées (Copernic, Newton, Einstein, …)
• le rôle des grandes infrastructures et des collaborations internationales
• l’utilisation des télescopes spatiaux afin d’éliminer la turbulence atmosphérique en astronomie
• les choses que nous ne connaissons toujours pas ou ne comprenons pas tout à fait
• la valeur (ou son manque) qu’apporte ce genre de recherches fondamentales
• les stéréotypes, les caricatures et les idées préconçues.

L’article peut aussi être utilisé pour enrichir une discussion sur la diffusion de la lumière dans l’atmosphère, ou comme base pour une recherche par les élèves de la façon dont les physiciens mesurent les distances aux étoiles ou comment les étoiles se déplacent par rapport à la Terre.

Une collaboration avec le département d’art peut aussi conduire à quelques représentations intéressantes de supernovae, et les imaginations peuvent être mises à contribution plus encore afin de réfléchir à quoi l’Univers ressemblait lorsqu’une supernova distante à explosé.

Finalement, les élèves peuvent calculer à quelle distance se trouvait la lumière émise par une supernova lointaine explosant au moment où la Terre s’est formée, ou lorsque les dinosaures régnaient, en donnant, par exemple, leurs réponses en fonction de la distance à Alpha Centauri.

Halina Stanley, France

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