PRIX NOBEL DE PHYSIQUE 2019

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L’Univers sculpté par les galaxies

La moitié du prix Nobel de physique 2019 vient récompenser la carrière de James Peebles, cosmologiste canado-américain qui est l’architecte de la représentation que nous nous faisons désormais de l’Univers.

James Peebles

Photographie : James Peebles

Ayant consacré toute sa carrière à la cosmologie, le Canadien et Américain James Peebles a permis, grâce à ses recherches, de mieux comprendre l'Univers et son évolution. Il a notamment étudié les grandes structures de l'Univers (comme les galaxies et les amas de galaxies) et leur... 

Crédits : Mark Makela/ Getty Images News/ AFP

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Né le 25 avril 1935 à Saint-Boniface (Manitoba) au Canada, Phillip James Edwin Peebles fait ses études dans son pays d’origine jusqu’à la préparation de son doctorat qu’il effectue à l’université de Princeton (États-Unis) sous la direction de Robert Dicke (1916-1997). Sa thèse, qu’il obtiendra en 1962, porte sur les aspects théoriques et observationnels d’une éventuelle variation des lois de l’électromagnétisme au cours de l’histoire de l’Univers. À cette époque, la cosmologie, c’est-à-dire l’étude de l’Univers dans son ensemble, est une discipline très confidentielle. Étudier l’Univers en tant que système physique est alors une activité hasardeuse, voire peu scientifique, car les données dont disposent les astronomes sont encore bien maigres. Bien sûr, l’expansion de l’Univers a été découverte à la toute fin des années 1920 par Edwin Hubble (1889-1953), mais c’est à peu près tout ce que l’on sait...

Dès la fin de son doctorat, James Peebles et Robert Dicke comprennent que, si l’Univers est en expansion, cela signifie qu’il était par le passé non seulement plus dense, mais aussi plus chaud et donc très lumineux. Cet éclat a ensuite été dilué et refroidi par l’expansion mais doit toujours exister sous la forme d’un rayonnement thermique à très basse température, c’est-à-dire détectable dans le domaine des ondes radio. Robert Dicke, à la fois spécialiste de relativité générale et précurseur dans la construction des radars, possède toutes les compétences pour s’attaquer à la détection de ce rayonnement. Avec James Peebles, David Wilkinson (1935-2002) et Peter Roll, il se lance dans la construction d’une antenne dédiée. La logique aurait voulu qu’ils mènent à bien leur projet mais, en 1964, Arno Penzias et Robert Wilson, radioastronomes américains, découvrent par hasard ce rayonnement – désormais appelé fond diffus cosmologique – dont ils ignoraient la possible existence. Les deux hommes recevront le prix Nobel de physique en 1978 pour cette découverte fortuite, un dénouement logique mais cruel pour James Peebles et son équipe. Mais cela n’empêchera pas ce dernier de se consacrer pleinement à la cosmologie pendant plus d’un demi-siècle.

James Peebles a accompagné tous les développements de cette discipline dès que celle-ci s’est imposée comme un domaine scientifique à part entière. En particulier, il a défriché la formation des grandes structures, c’est-à-dire la façon dont l’Univers dense, jeune, chaud mais aussi très homogène permet, via l’action déstabilisatrice de la force de gravitation, la formation de régions un peu plus denses qui s’avéreront quelque centaines de millions d’années plus tard constituer les embryons des futures galaxies et amas de galaxies. Peebles comprend que ces embryons doivent déjà être détectables dans le fond diffus cosmologique sous la forme de zones un peu plus denses et donc légèrement plus chaudes. Il comprend aussi que la vitesse à laquelle ces embryons vont croître dépend du contenu matériel de l’Univers. Si la seule matière présente dans l’Univers est celle dont nous sommes constitués, les atomes, alors cette croissance est lente et les embryons doivent déjà être facilement détectables dans le fond diffus cosmologique. S’il existe en plus une autre forme de matière, alors cette croissance sera plus rapide et les embryons des galaxies seront toujours présents dans le fond diffus cosmologique mais avec une amplitude moindre. Peebles prédit ainsi, en 1982, que le fond diffus cosmologique peut apporter une preuve certes assez indirecte mais techniquement très convaincante de l’existence d’une forme inconnue de matière, appelée faute de mieux « matière noire » et dont l’existence est soupçonnée depuis les travaux de l’astrophysicien suisse Fritz Zwicky (1898-1974) dans les années 1930 et plus tard par l’Américaine Vera Rubin (1928-2016). En 1992, la détection dans le fond diffus cosmologique par le satellite Cobe (Cosmic Background Explorer) de minuscules fluctuations de température (dont l’amplitude n’excède guère les 0,001 p. 100) est l’argument décisif en faveur de l’existence de cette matière noire. Sans matière noire, ces fluctuations auraient dû être dix à cent fois plus grandes.

Outre leurs propres travaux, beaucoup de grands scientifiques contribuent à marquer leur discipline en formant de nombreux étudiants. Ce ne fut pas le cas de James Peebles, mais il joua un rôle décisif en rédigeant deux ouvrages de référence : Physical Cosmology en 1972 et surtout The Large-Scale Structure of the Universe en 1980. Ce dernier en particulier est remarquable, faisant office de feuille de route pour plusieurs générations de chercheurs, identifiant nombre de problèmes non résolus à l’époque et qui allaient s’avérer autant d’articles scientifiques aux retombées importantes. À l’instar de l’astrophysicien indien Subrahmanyan Chandrasekhar (1910-1995) en 1983, James Peebles a donc été récompensé par le comité Nobel pour l’ensemble de son œuvre, une distinction bien méritée pour celui qui a accompagné la cosmologie pendant si longtemps.

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Écrit par :

  • : professeur émérite de l'université Paris-VII-Denis-Diderot, membre de l'Académie des sciences
  • : chargé de recherche au CNRS, Institut d'astrophysique de Paris

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Pierre LÉNA, Alain RIAZUELO, « PRIX NOBEL DE PHYSIQUE 2019 », Encyclopædia Universalis [en ligne], consulté le 03 décembre 2021. URL : https://www.universalis.fr/encyclopedie/prix-nobel-de-physique-2019/