Une brève histoire de l’astrophysique

Albert Einstein, né le 14 mars 1879 à Ulm en Allemagne, et décédé le 18 avril 1955 à Princeton aux États-Unis, est sans doute l’un des scientifiques les plus célèbres et les plus influents de tous les temps.

Contexte historique et intellectuel : Au tournant du XXe siècle, la physique classique, fondée sur les travaux de Newton, semblait avoir atteint un degré de maturité tel qu’il ne restait plus grand-chose à découvrir. Pourtant, de nouvelles expériences mettaient en évidence des phénomènes que cette physique ne parvenait pas à expliquer. C’est dans ce contexte de remise en question que les travaux d’Einstein ont émergé.

Les contributions d’Einstein : Einstein est surtout connu pour sa théorie de la Relativité Restreinte (1905), qui révolutionne notre conception de l’espace, du temps et de la matière. Il y introduit notamment la célèbre équation E=mc², qui exprime l’équivalence entre masse et énergie. Quelques années plus tard, il généralise cette approche dans la théorie de la Relativité Générale, qui décrit la gravitation comme une courbure de l’espace-temps causée par la présence de matière et d’énergie. Cette théorie prédit notamment l’existence des ondes gravitationnelles, qui ont été détectées un siècle plus tard.

(voir la page « Mouvements et gravitation »)

Vision de l’univers : Einstein voyait l’univers comme un espace-temps courbe, dont le temps n’est que l’une de ses quatre dimensions et dont la géométrie est déterminée par la distribution de la matière et de l’énergie. Lorsque qu’il a formulé sa théorie de la Relativité Générale, il était convaincu que l’univers était statique, c’est-à-dire qu’il ne se dilatait ni ne se contractait. Pour concilier cette vision avec les équations de sa théorie, qui semblaient prédire un univers en expansion, il a introduit une « constante cosmologique » dans ses équations. Cependant, quelques années plus tard, l’astronome Edwin Hubble découvrit que l’univers était bien en expansion. Einstein reconnu alors son erreur, mais il est à noter que la constante cosmologique est aujourd’hui remise au goût du jour sous la forme de la manifestation de l’énergie du vide qui pourrait expliquer l’accélération observée de l’expansion de l’univers.

Il a également contribué à la compréhension de la nature de la lumière, en montrant qu’elle pouvait se comporter à la fois comme une onde et comme un corpuscule (dualité onde-corpuscule). (voir la page « La lumière »)

Influence et héritage : Les travaux d’Einstein ont eu un impact considérable sur la physique et l’astronomie. La Relativité Générale a permis de comprendre des phénomènes aussi variés que la déviation de la lumière par les masses, la dilatation du temps et l’expansion de l’univers. Les équations d’Einstein sont à la base de la cosmologie moderne et ont permis de développer des modèles de l’univers en expansion. Cette théorie est à ce jour largement « validée » par les observations et expériences.

Georges Henri Joseph Édouard Lemaître (1894-1966) était un prêtre catholique belge, mais aussi un cosmologiste de renommée mondiale. Sa double identité, à la fois religieuse et scientifique, était loin d’être contradictoire pour lui. Il voyait au contraire une harmonie profonde entre la foi et la raison.

Contexte historique et intellectuel : Au début du XXe siècle, la physique était en pleine révolution avec la théorie de la Relativité Générale d’Einstein. Les astronomes, quant à eux, découvraient que l’univers était bien plus vaste et complexe qu’on ne le pensait auparavant. Le débat sur l’origine et l’évolution de l’univers était au cœur des préoccupations scientifiques.

Les contributions de Lemaître : Lemaître est surtout connu pour avoir été le premier à proposer, en 1927, une théorie de l’expansion de l’univers à partir d’un état initial infiniment dense et chaud. Et il a ensuite interprété les observations de l’astronome Edwin Hubble (voir ci-dessous) comme la confirmation de son approche. Cette théorie, qu’il nomma initialement « hypothèse de l’atome primitif », est aujourd’hui connue sous le nom de « Big Bang ».

Les travaux de Lemaître ont jeté les bases du modèle cosmologique standard qui décrit l’univers tel que nous le connaissons aujourd’hui.

Sa vision de l’univers : Pour Lemaître, l’univers avait une origine, un commencement. Cette idée était en contradiction avec la vision d’un univers statique et éternel qui prévalait alors. Lemaître voyait dans le Big Bang non seulement un événement cosmique mais aussi un moment de création, un lien entre la science et la religion.

Influence et héritage : Lemaître a été un pionnier de la cosmologie moderne. Ses idées ont été longtemps controversées, mais elles ont finalement été largement acceptées par la communauté scientifique. Aujourd’hui, il est considéré comme l’un des pères fondateurs de la cosmologie. Lemaître a montré qu’il était possible de concilier science et foi, ouvrant ainsi la voie à de nombreuses autres réflexions sur la relation entre ces deux domaines.

Edwin Hubble (1889-1953) est une figure emblématique de l’astronomie du XXe siècle. Ses découvertes ont révolutionné notre compréhension de l’univers, le propulsant au rang de cosmologie moderne.

Contexte historique et scientifique : À l’aube du XXe siècle, l’astronomie était en pleine mutation. Les télescopes se perfectionnaient, offrant des aperçus de plus en plus détaillés du cosmos. Cependant, la nature exacte des nébuleuses spirales, ces taches floues observées dans le ciel, restait un mystère. Étaient-elles des galaxies à part entière, ou simplement des nébuleuses au sein de notre propre Voie lactée ?

Les contributions d’Hubble : Grâce au télescope Hooker du Mont Wilson, l’un des plus puissants de son époque, Hubble a pu résoudre cette énigme. En étudiant les céphéides (des étoiles variables dont la luminosité intrinsèque est liée à leur période de pulsation) il a pu déterminer la distance de ces nébuleuses spirales. Ses travaux ont démontré qu’elles étaient en réalité des galaxies distinctes, situées bien au-delà de notre propre Voie lactée.

La loi de Hubble : Mais Hubble alla encore plus loin. En mesurant le décalage vers le rouge de la lumière émise par ces galaxies, il mis en évidence une corrélation entre cette vitesse de récession et leur distance. Cette relation, connue sous le nom de loi de Hubble, est l’une des pierres angulaires de la cosmologie moderne. Elle suggère que l’univers est en expansion, un concept qui avait été théorisé par Georges Lemaître quelques années auparavant, mais qui a trouvé une confirmation observationnelle grâce aux travaux d’Hubble.

La vision de l’univers selon Hubble : Hubble a offert une nouvelle perspective sur l’univers. Il a montré que notre galaxie n’était qu’une parmi des milliards d’autres, et que l’univers était en constante évolution. Ses travaux ont ouvert la voie à l’étude de l’origine de l’univers, de la formation des galaxies et plus généralement de la cosmologie.

Influence et héritage : L’héritage d’Edwin Hubble est immense. Ses découvertes ont une nouvelle fois fondamentalement transformé notre compréhension de l’univers. La loi de Hubble est au cœur du modèle standard de la cosmologie et sert de base à de nombreuses recherches actuelles. Le télescope spatial Hubble, nommé en son honneur, a permis de confirmer et d’affiner ses découvertes, offrant des images spectaculaires de l’univers profond.

Stephen William Hawking, né le 8 janvier 1942 à Oxford et décédé le 14 mars 2018 à Cambridge, était un physicien théoricien et cosmologiste britannique. Malgré une maladie neurodégénérative qui l’a progressivement paralysé, il a laissé une empreinte indélébile dans le monde de la science.

Contexte historique : Hawking a grandi dans un contexte marqué par la Seconde Guerre mondiale et la Guerre froide. La physique théorique était en pleine effervescence, avec les avancées révolutionnaires de la Relativité Générale et de la Mécanique Quantique. Les questions sur l’origine de l’univers et la nature des trous noirs étaient alors au cœur des préoccupations des scientifiques.

Contributions à la cosmologie : Hawking s’est principalement intéressé à l’étude des trous noirs et de l’origine de l’univers. Ses travaux les plus connus concernent la singularité gravitationnelle au centre des trous noirs, ainsi que l’émission de rayonnement par ces objets célestes. Ces derniers sont désormais connus sous le nom de « rayonnement de Hawking ». Il a également apporté des contributions significatives à la théorie du Big Bang et à l’étude des premiers instants de l’univers.

La théorie du tout : Comme de nombreux physiciens de sa génération, Hawking était à la recherche d’une « théorie du tout », une théorie unifiée qui permettrait de décrire toutes les forces de la nature. Il a exploré les liens entre la Relativité Générale et la Mécanique Quantique, mais n’a pas trouvé de solution définitive. (voir les pages « Du Big Bang à nos jours » et « Les théories d’unification »)

Vision de l’univers : Hawking avait une vision profondément déterministe de l’univers. Il pensait que les lois de la physique déterminaient entièrement l’évolution de l’univers, y compris notre propre destin. Cependant, il a également réfléchi sur les implications philosophiques de ses travaux, notamment sur la nature du temps et la possibilité d’un multivers.

Influence et héritage : Hawking est devenu l’un des scientifiques les plus célèbres de son époque. Ses livres, tels que « Une brève histoire du temps », ont popularisé la cosmologie auprès du grand public. Son courage face à la maladie et son esprit brillant ont inspiré des millions de personnes dans le monde entier. Son héritage réside dans ses contributions à la physique théorique, mais aussi dans sa capacité à rendre la science accessible à tous.

Roger Penrose, né le 8 août 1931 à Colchester, en Angleterre, est un mathématicien, cosmologiste et philosophe des sciences. Son œuvre, riche et variée, a profondément marqué la physique théorique et la cosmologie du XXe siècle.

Contexte historique : Penrose a grandi dans un contexte marqué par les deux guerres mondiales et l’essor de la Physique Quantique et de la Relativité Générale. Ces avancées scientifiques ont profondément influencé sa pensée et l’ont amené à s’interroger sur les fondements de la réalité.

Contributions à la science : Penrose est connu pour ses travaux sur la Relativité Générale, les trous noirs et la cosmologie. Il a notamment démontré avec Stephen Hawking que les singularités gravitationnelles, comme celles au cœur des trous noirs, sont une conséquence inévitable de la théorie de la Relativité Générale. Ses travaux sur les twisteurs, une nouvelle formulation de la théorie de la gravitation, offrent une perspective géométrique originale sur l’espace-temps.

La cosmologie de Penrose : Penrose s’est intéressé de près à la cosmologie, en étudiant l’origine et le destin de l’univers. Il a proposé le concept de cosmologie cyclique conforme, selon lequel l’univers passerait par des cycles infinis d’expansion et de contraction, chaque cycle commençant par un Big Bang et se terminant par un Big Crunch. (voir la page « Les théories d’unification »)

La conscience et la physique : Penrose a également exploré le lien entre la conscience et la physique. Il a suggéré que la conscience pourrait être liée à des phénomènes quantiques au niveau des microtubules, des structures présentes dans les neurones. Cette théorie, controversée, a suscité de nombreux débats dans les communautés scientifiques et philosophiques.

Influence et héritage : Penrose est considéré comme l’un des plus grands penseurs de notre époque. Ses idées ont inspiré de nombreux chercheurs et ont ouvert de nouvelles voies de recherche en physique théorique et en cosmologie. Son œuvre a également eu un impact important sur la philosophie des sciences, en particulier sur la question de la nature de la réalité.