Des planètes-océans en phase de résoudre cette énigme sur les exoplanètes 

Pourquoi détecte-t-on si peu d'exoplanètes d'environ deux fois la taille de la Terre ? Sur la base de simulations informatiques, une équipe de l'Institut Max-Planck d'astronomie (MPIA) et des universités de Genève (UNIGE) et Berne (UNIBE) révèle que la migration de planètes subneptuniennes glacées - des planètes-océans - pourrait expliquer cette absence.

( photo :  Au fur et à mesure que les planètes-océans glacées et riches en eau migrent vers leur étoile, la glace fond et finit par former une épaisse atmosphère de vapeur d'eau, qui augmente leur rayon.) 

À mesure que ces planètes se rapprochent de leur étoile centrale, la glace d'eau qui s'évapore forme une atmosphère qui les fait apparaître plus grandes qu'à l'état gelé, bien au-delà d'un double rayon terrestre. Simultanément, des petites planètes rocheuses, plus grandes que la Terre, perdent progressivement une partie de leur enveloppe gazeuse d'origine, ce qui entraîne une diminution importante de leur rayon. Ces résultats ouvrent de nouvelles perspectives pour l'étude des exoplanètes. Ils sont à découvrir dans Nature Astronomy.

En 2017, le télescope spatial Kepler a révélé l'absence de planètes ayant une taille d'environ deux rayons terrestres. Ce "vide" dans la distribution des rayons des planètes est appelé "rift subneptunien". "Son existence est l'une des contraintes observationnelles les plus importantes pour comprendre l'origine et la composition des exoplanètes dont le rayon est compris entre celui de la Terre et celui de Neptune", explique Julia Venturini, boursière Ambizione du FNS, collaboratrice scientifique au Département d'astronomie de l'UNIGE, membre du PRN PlanetS et coauteure de l'étude. "Comme d'autres groupes de recherche, nous avions prédit sur la base de nos calculs, avant même les observations de 2017, qu'un tel rift devait exister", ajoute Christoph Mordasini, professeur à la division de recherche spatiale et sciences planétaires (WP) de l'UNIBE, membre du PRN PlanetS et coauteur de l'étude.

D'où vient le rift subneptunien?

Deux types d'exoplanètes peuplent l'intervalle de rayon entre un et quatre rayons terrestres. D'une part, des planètes rocheuses - des " super-Terres " - plus grandes que la Terre. D'autre part, des planètes gazeuses appelées planètes subneptuniennes (ou mini-Neptunes) dont certaines, les planètes-océans, pourraient abriter une quantité d'eau si importante que leur surface serait recouverte d'un océan glacé de plusieurs dizaines de kilomètres de profondeur. Parmi ces deux types de planètes, les super-Terres et les Subneptuniennes, les astronomes en découvrent très peu avec un rayon de deux fois celui de la Terre.

Pour expliquer l'apparition de ce "rift", le mécanisme le plus souvent suggéré est que les planètes perdent une partie de leur atmosphère d'origine sous l'effet de l'irradiation de l'étoile. "Cette explication suppose que les planètes se forment et restent très proches de leur étoile, où elles seraient sèches, sans eau", précise Julia Venturini. "Cependant, cette explication contredit les modèles de formation, qui montrent que les planètes d'une taille comprise entre deux et quatre rayons terrestres, les planètes-océans, proviennent généralement des régions glacées les plus éloignées du système stellaire".

De nombreux indices suggèrent donc que certaines planètes pourraient s'éloigner de leur lieu de naissance au cours de leur évolution, en migrant vers l'intérieur ou vers l'extérieur de leur système. Cette migration permettrait aux planètes nées dans des régions froides et glacées, comme les planètes-océans, de terminer leur formation sur des orbites très proches de leur étoile.

Planètes-océans errantes

Au fur et à mesure que les planètes-océans glacées et riches en eau migrent vers leur étoile, la glace fond et finit par former une épaisse atmosphère de vapeur d'eau. Ce processus entraîne une augmentation de leur rayon vers des valeurs légèrement plus élevées, au-delà d'un double rayon terrestre. Inversement, les super-Terres, pauvres en eau, "rétrécissent" en perdant les gaz volatils de leur atmosphère d'origine, tels que l'hydrogène et l'hélium, sous l'influence de l'étoile.

Les modèles informatiques combinés de formation et d'évolution indiquent ainsi que la migration des planètes-océans contribue de manière significative au grand nombre de planètes détectées avec un rayon plus grand que deux rayons terrestres alors que l'évaporation atmosphérique des super-Terres contribue au surnombre des planètes plus petites que deux rayons terrestres. Au centre de ces deux populations se trouve le rift subneptunien. "Nous avions déjà obtenu ce résultat en 2020. La nouvelle étude le confirme avec un modèle de formation différent. Cela renforce la conclusion selon laquelle les planètes subneptuniennes sont principalement des mondes d'eau". précise Julia Venturini, qui a aussi dirigé l'étude de 2020.

D'autres travaux à venir

En plus d'expliquer un phénomène jusque-là mystérieux, ces travaux ouvrent de nouvelles perspectives pour l'étude des exoplanètes. "Si nous étendions nos résultats à des régions plus tempérées, où l'eau est liquide, cela pourrait suggérer l'existence de mondes aquatiques dotés d'océans liquides profonds", explique Christoph Mordasini. "De telles planètes pourraient potentiellement abriter la vie et constitueraient des cibles relativement simples pour la recherche de biomarqueurs en raison de leur taille".

Des observations avec des télescopes comme le James Webb Space Telescope ou l'Extremely Large Telescope, en cours de construction, pourraient également être utiles. Elles permettraient de déterminer la composition atmosphériques des planètes en fonction de leur taille, ce qui permettrait de tester les simulations décrites.

Nouvelles preuves : les ondes sonores transporteraient réellement de la masse

En général, lorsque nous pensons aux ondes sonores, nous imaginons des vibrations invisibles se déplaçant en apesanteur dans les airs, et sans masse. Mais cela pourrait bien être sur le point de changer. Des physiciens viennent de fournir une preuve supplémentaire que les"particules" sonores peuvent réellement transporter des petites quantités de masse. Ces preuves impliquent donc également que les ondes sonores peuvent produire leurs propres champs gravitationnels, ou un équivalent se comportant comme tel.

Mais avant d’approfondir le sujet, reprenons tout d’abord la base. Par exemple, si vous frappez un ballon avec votre pied, vous y transmettez de l’énergie. Einstein ajouterait que vous avez également contribué un peu à la masse du ballon, en l’accélérant. Mais si ce ballon est une particule minuscule et que le coup de pied est une onde sonore, vous pouvez imaginer la même chose. Pourtant, depuis des décennies, les physiciens se disputent pour savoir si l’élan d’une vague de particules représente une masse nette, ou pas.

L’année dernière, le physicien Alberto Nicolis de l’Université Columbia à New York a travaillé avec un collègue de l’Université de Pennsylvanie à Philadelphie pour étudier la manière dont différentes ondes se désintègrent et se dispersent dans un fluide à l’hélium extrêmement froid. Non seulement l’équipe de chercheurs a montré que les sons peuvent en réalité générer une valeur non nulle concernant la masse, mais cette dernière pourrait également"flotter" de manière étrange, le long des champs gravitationnels, dans un sens anti-gravitationnel.

Bien que les chercheurs aient affirmé cette possibilité, leur étude était tout de même limitée à un ensemble spécifique de conditions. De ce fait, Nicolis a utilisé un ensemble de techniques différentes pour montrer que les sons ont une masse dans les fluides et les solides ordinaires, et qu’ils peuvent même créer leur propre champ gravitationnel faible.

Leur nouvelle conclusion contredit les affirmations selon lesquelles les phonons sont sans masse. À présent, selon cette nouvelle recherche, nous savons que ces derniers ne répondent pas simplement à un champ de gravitation, mais qu’ils sont également une source de champ gravitationnel.

Dans un sens newtonien, telle est la définition même de la masse. Alors pourquoi y a-t-il tant de confusion sur cette question ? En fait, le problème réside dans la manière dont les ondes se déplacent dans un milieu donné. Tout comme une onde lumineuse est appelée un photon, une onde vibratoire (du son) peut être considérée comme une unité appelée"phonon".

Imaginez-vous immobile lors d’un concert, et que vous profitez du spectacle. La masse de votre corps est la même que lorsque vous vous êtes levés le matin. Puis vient une musique plus entraînante et votre voisin vous pousse, accélérant de ce fait votre corps. Selon la loi d’Einstein, qui dit que l’énergie est égale à la masse multipliée par la vitesse de la lumière au carré : le peu d’énergie que vous gagnez avec la poussée, est également de la masse.

Donc, en entrant en collision avec une autre personne, l’énergie y est transférée avec un peu de masse, de manière imperceptible. (Dans cet exemple imagé, les corps se heurtant à d’autres corps, représentent les phonons). Dans ces conditions simples, le mouvement de va-et-vient parfait des corps et le transfert direct de la quantité de mouvement peuvent être décrits comme une forme de dispersion linéaire. Tandis que les niveaux d’énergie peuvent fluctuer pendant ledit va-et-vient, votre corps se réinitialise pour ne pas donner de masse au cycle de phonons complet.

Mais la réalité n’est pas toujours aussi simple… Les ondes lumineuses se déplaçant dans le vide et les phonons dans un matériau théoriquement parfait pourraient bien être linéaires, mais les solides et les fluides se bousculant obéissent à diverses autres lois en fonction de certains champs et influences. Et ces conditions sont bien complexes : ainsi, à l’aide d’approximations connues sous le nom de théorie des champs effectifs, Angelo Esposito et Rafael Krichevsk, de l’Université Columbia et collègues de Nicoli, ont pu comprendre comment le phonon se déplace à travers de tels supports et comment calculer leur réponse à un champ gravitationnel.

Ces derniers ont pu démontrer que, même dans des conditions dites désordonnées du"monde réel", les ondes sonores pouvaient effectivement transporter une certaine masse. Bien entendu, cette masse n’est pas vraiment conséquente et reste minime, comme on peut s’y attendre. Nous parlons plutôt d’une quantité d’énergie contenue dans le phonon, mais divisée par le carré de la vitesse de la lumière. C’est donc une masse… minuscule.

Avec cette étude, il est également important de garder à l’esprit que les mathématiques sur lesquelles repose l’allégation n’ont pas encore été mises à l’épreuve. À présent, les scientifiques devront mesurer les changements gravitationnels d’atomes refroidis à une température proche du zéro absolu, ce qui pourrait être possible si nous explorons de tels condensats dans l’espace.

Mais grâce à ces découvertes, les chercheurs suggèrent qu’il serait également, et notamment, plus simple de "peser" un séisme. En effet, le son généré par un grand tremblement de terre pourrait représenter une masse conséquente.

Dans tous les cas, nous attendons les résultats des prochaines recherches dans ce domaine avec grande impatience !

Pour la première fois, des physiciens observent des tourbillons d’électrons !

À l’instar de ce tourbillon d’eau, il peut exister des tourbillons d’électrons sous certaines conditions.

Des chercheurs du MIT aux États-Unis et de l’Institut Weismann en Israël ont réussi à apercevoir ce phénomène pour la première fois ! Prévu depuis de longues années, mais jamais observé, ce comportement caractéristique des fluides pourrait servir à la mise au point de systèmes électroniques à très basse consommation.

Qu’est-ce que des tourbillons d’électrons ?

Les tourbillons d’électrons observés par les scientifiques se comportent comme des fluides. Un fluide est constitué de particules pouvant s’écouler librement et peut être un liquide, un gaz et un plasma.

Un fluide est caractérisé par une grande mobilité de ses molécules. Celles-ci peuvent se mouvoir sans être limitées à une position précise comme dans les solides. Bien que tous les fluides soient compressibles, les gaz le sont beaucoup plus que les liquides et les plasmas. Les molécules des fluides sont maintenues entre elles par des forces d’interactions faibles. Elle sont appelées forces de Van der Walls qui assurent leur cohésion au sein du fluide.

L’eau reste le fluide le plus abondant sur Terre capable de s’écouler librement pour former les ruisseaux, les rivières et de vastes étendues d’eau. Telles que les lacs, les mers et les océans par exemple. Ces masses d’eau sont sujettes à la formation de courants, de vagues et de tourbillons.

On pourrait se demander si un courant électrique constitué d’un ensemble d’électrons en mouvement peut se comporter comme un fluide. Dans des conditions normales, les électrons qui sont infiniment plus petits que des molécules d’eau sont influencés par leur environnement. Par exemple le métal qu’ils traversent. Et  ils ne se comportent pas comme un fluide.

Cependant, la théorie prévoit depuis bien longtemps qu’à des températures très basses proches du zéro absolu (-273 °C), les électrons peuvent s’écouler à la manière d’un fluide pour autant que le matériau dans lequel ils circulent soit pur et sans aucun défaut. Jusqu’à aujourd’hui, cette théorie n’avait jamais été observée.

Les électrons peuvent former un fluide visqueux

Normalement, lorsque des électrons circulent au sein d’un matériau conducteur tel qu’un fil de cuivre, ou dans un matériau semi-conducteur comme le silicium, leur trajectoire est influencée par la présence d’impuretés au sein du matériau. Les vibrations des atomes qui composent le matériau conducteur ou semi-conducteur influencent aussi la trajectoire et le déplacement des électrons. Chaque électron se comporte alors comme une particule individuelle.

Par contre, dans un matériau d’une très grande pureté, dans lequel toutes les impuretés auraient été supprimées, les électrons ne se comportent plus comme des particules individuelles. Ils agissent alors comme des particules quantiques, chaque électron captant les comportements quantiques de ses congénères. Les électrons se déplacent ensemble et forment ce que les physiciens appellent un fluide électronique visqueux.

Il y a quelques années des chercheurs de l’université de Manchester en Angleterre avaient déjà prouvé que des électrons étaient capables de se comporter en fluide. Ceci en réalisant une expérience avec du graphène. Ce matériau est un simple feuillet constitué uniquement d’atomes de carbone disposés suivant un motif hexagonal et de l’épaisseur d’un atome. En faisant passer un courant électrique dans un mince canal "creusé" dans ce matériau, ils se sont rendu compte que la conductance des électrons était bien supérieure à la conductance des électrons libres. Les électrons s’écoulaient donc comme un fluide régulier.

L’une des caractéristiques les plus étonnantes d’un fluide comme l’eau est sa capacité à produire un tourbillon lorsqu’elle s’écoule. Les chercheurs du MIT et de l’institut Weismann ont tenté de découvrir si les électrons peuvent aussi s’écouler sous la forme de tourbillons.

Pour le vérifier, les chercheurs ont utilisé du ditelluride de tungstène de formule chimique WTe2, un composé semi-métallique extrêmement pur et présentant des propriétés quantiques lorsqu’il est épais de seulement un atome. Pour effectuer une comparaison avec un métal ordinaire, ils ont utilisé de fines paillettes d’or.

Ils ont gravé dans les fines paillettes de ditelluride de tungstène et dans celles d’or, un fin canal relié, au niveau de la moitié du canal, à deux chambres circulaires situées de part et d’autre du canal. Ces deux systèmes ont ensuite été placés à une température de -268,6 °C, proche du zéro absolu, puis les canaux ont été soumis au passage d’un courant électrique.

En réalisant des mesures en différents points, les chercheurs se sont rendu compte que dans l’or, le flux d’électrons se dirigeait toujours dans la même direction, que ce soit dans les deux chambres adjacentes et dans le canal.

Par contre, dans le ditelluride de tungstène, les électrons se sont mis à former des tourbillons dans les deux chambres circulaires en inversant leur direction. Puis sont revenus dans le canal central.

Ces résultats très encourageants sont probablement le signe d’un nouveau type d’écoulement hydrodynamique dans des cristaux très fin  d’une grande pureté. Cela ouvre la voie à la création de nouveaux dispositifs électronique nécessitant de faibles puissances de fonctionnement.

Le lien intime de la vie avec la lumière du soleil

Dans l'art et la littérature, la lumière du soleil mène vers des métaphores qui rayonnent. Une personne heureuse est un " rayon de soleil ". Divinité brillante comme celle du ciel. Une telle personnalité regarde le bon côté des choses. Mais le rayonnement électromagnétique visible ne se contente pas d'hypnotiser et d'éclairer ; il est le moteur de la vie sur Terre.

Il y a des milliards d'années, les premiers êtres vivants transformaient le rayonnement solaire en énergie chimique. La série de réactions que nous connaissons sous le nom de photosynthèse a modifié la Terre et son atmosphère. Elle a libéré de l'oxygène, qui a contribué à lancer l'évolution d'une vie multicellulaire complexe, et a également créé les sources de nourriture nécessaires à sa survie et à son évolution. Si le soleil disparaissait momentanément, la plupart des formes de vie sur Terre disparaîtraient en peu de temps.

Causalité quantique: et si l'ordre des événements disparaissait à très petite échelle ? 

Depuis un peu plus d'une décennie, des physiciens étudient un étrange phénomène du monde quantique. À très petite échelle, il se pourrait que l'ordre temporel entre différents événements ne soit pas toujours bien défini.

La physique quantique décrit le monde microscopique avec une précision impressionnante. Ses prédictions n'ont encore jamais été contredites par les expériences. Mais elle est aussi réputée pour ses étrangetés.

En effet, les objets microscopiques se comportent de manière contre-intuitive. Premièrement, leurs propriétés (telles que leur position et vitesse) ne peuvent parfois prendre que certaines valeurs bien précises. Pour faire une analogie avec notre monde macroscopique, tout se passe comme si, quand nous nous déplaçons sur une ligne droite, nous ne pouvions nous déplacer que par "sauts" d'un mètre, sans ne jamais pouvoir avoir de position intermédiaire.

Ensuite, deux entités semblent pouvoir s'influencer à très grande distance, à des vitesses supérieures à celles de la lumière. Enfin, certains objets ont des propriétés (telles que leur position, ou vitesse) qui se trouvent dans des " superpositions quantiques " de plusieurs valeurs. Qu'est-ce que cela veut dire, pour un objet, d'être dans une " superposition " de plusieurs positions ? Est-ce que l'objet n'est nulle part ? Partout à la fois ? Ces questions animent les physiciens et philosophes depuis des décennies.

Une étrangeté de plus dans le monde quantique

Cependant, cette dernière décennie a vu émerger de nouvelles découvertes qui font monter la complexité du problème d'un cran. Des travaux de physiciens dispersés aux quatre coins du monde indiquent que lorsque deux événements se produisent dans le monde quantique, l'ordre temporel entre ces événements est parfois indéfini.

À notre échelle, il est toujours possible de dire si une personne a d'abord éternué avant de s'excuser, ou l'inverse. La physique quantique semble indiquer qu'à petite échelle, il se pourrait parfois qu'aucune de ces deux possibilités ne soit la bonne.

Or, l'ordre temporel entre différents événements est fortement lié aux relations de causalité. En effet, une cause doit toujours précéder son effet. Ainsi, si l'ordre temporel entre différents événements est indéfini, il pourrait en être de même pour leur ordre causal.

Comment faire sens d'un monde dans lequel les choses ne se dérouleraient pas dans un ordre bien défini ? Cette question est un défi lancé aux philosophes des sciences. D'audacieuses réponses seront sans doute proposées, et il nous faudra peut-être accepter une remise en question profonde de notre vision du monde physique.

Une expérience troublante

Nous pouvons observer les ordres causaux indéfinis en laboratoire, par exemple grâce au " quantum switch ", un agencement expérimental très particulier qui a été réalisé à diverses reprises. Détaillons l'une de ces réalisations expérimentales. Deux expérimentateurs y performent chacun une opération sur une même particule de lumière, appelée photon.

Ces manipulations consistent, par exemple, à modifier une propriété de ce photon, que l'on appelle " mode spatial ". L'ordre entre les deux opérations est déterminé, non pas par les scientifiques eux-mêmes, mais par la valeur d'une autre propriété du photon, appelée " polarisation ".

Lorsque la polarisation du photon est dans une " superposition quantique " de deux valeurs distinctes, et après qu'un troisième expérimentateur ait mesuré cette polarisation à la fin de l'expérience, l'ensemble de cet arrangement expérimental ne peut être décrit, ni par le scénario où la particule a d'abord été manipulée par le premier expérimentateur avant d'être envoyée chez le second, ni par le scénario inverse.

Ces recherches intrigantes en sont encore à leurs débuts. Elles permettront d'étudier le comportement des relations temporelles ou causales à très petite échelle, dans le monde quantique. Il est important de pouvoir donner du sens à l'absence d'ordre temporel ou causal entre événements. En effet, l'ordre des événements à travers le temps (et l'espace) forme le socle sur lequel l'humain construit sa compréhension de toute chose.

Par exemple, lorsqu'un objet se brise après une chute, nous l'expliquons par son impact avec le sol, après qu'il ait suivi une trajectoire bien précise dans les airs. Pareillement, l'histoire de l'humanité se raconte en déroulant une succession continue de faits qui se sont produits à divers endroits du monde, à des moments bien précis.

Afin de conserver nos modes de raisonnements classiques, il nous faut donc comprendre ce que deviennent les notions de temps et d'espace dans le monde quantique. Il faut également faire sens de leur éventuelle absence. Pour répondre à ces questions, certains philosophes et physiciens envisagent par exemple que le futur puisse influencer le passé. D'autres contemplent l'idée que le temps et l'espace ne puissent être que le " produit dérivé " de phénomènes plus fondamentaux, dont la nature est encore à saisir.

Enfin, la découverte du " quantum switch " et des ordres causaux indéfinis pourrait bien se révéler utile dans le domaine de l'informatique quantique, et pour le développement de futurs " ordinateurs quantiques " d'un nouveau genre. En effet, l'existence de ces phénomènes pourrait être exploitée afin de réaliser de nouvelles tâches. Ils pourraient aussi permettre d'exécuter certains calculs plus efficacement qu'avec des ordinateurs quantiques plus standard.

Ainsi, les recherches récentes en physique quantique promettent de possibles révolutions, autant philosophiques que technologiques. 

Où est le centre de l’Univers ?

(Photo : Le point d'interrogation cosmique en bas au centre de l'image)

Par sa grandeur et sa complexité, l’Univers continue de fasciner et d’interroger les esprits curieux depuis des siècles. Parmi les questions les plus fondamentales qui captivent les astronomes et les cosmologistes : existe-t-il un centre de l’Univers ? Et si oui, où se trouve-t-il ?

Les découvertes de Hubble

Au début des années 1920, l’astronome Edwin Hubble fit deux découvertes capitales qui transformèrent notre vision du cosmos. Tout d’abord, il observa que les nébuleuses lointaines étaient en réalité des galaxies distinctes, dispersées à travers l’Univers. Cette découverte marqua un tournant majeur dans l’astronomie, car elle montrait qu’il était bien plus vaste et complexe que ce que l’on croyait auparavant.

Plus surprenant encore, Hubble constata que toutes ces galaxies semblaient s’éloigner de la Voie lactée. En analysant leurs spectres lumineux, il observa un décalage vers le rouge proportionnel à leur distance : les galaxies les plus lointaines semblaient s’éloigner plus rapidement que celles situées plus près de nous. Ce phénomène, aujourd’hui connu sous le nom de loi de Hubble, est une preuve cruciale de l’expansion de l’Univers.

Ces observations révolutionnaires trouvèrent leur explication dans la théorie de la relativité générale d’Einstein, publiée quelques années auparavant. Ce scientifique avait en effet prédit que l’Univers pourrait être en expansion ou en contraction, une idée qui contrastait fortement avec la vision statique et immuable du cosmos qui prévalait à l’époque. La découverte de Hubble confirmait ainsi les implications dynamiques de la théorie d’Einstein.

En conséquence, le concept d’un cosmos en expansion constante fut solidifié. Selon cette nouvelle compréhension, l’Univers aurait commencé son expansion à partir d’un état de densité et de température extrêmes, un événement initial connu sous le nom de Big Bang. Cette théorie changea non seulement notre perception du cosmos, mais aussi ouvrit la voie à de nouvelles explorations sur la nature de l’espace, du temps et de notre place au sein de cette immense toile cosmique.

Où est le centre de l’Univers ?

La question du centre de l’Univers est fascinante, mais déroutante. À première vue, on pourrait penser que le Big Bang, le moment initial de son expansion, en est le centre naturel. Cependant, notre compréhension moderne de la cosmologie nous indique que cette notion est plus complexe qu’il n’y paraît.

Pour comprendre l’Univers, nous devons d’abord considérer ses dimensions et ses caractéristiques fondamentales. Il a lui-même un âge estimé à environ 13,77 milliards d’années, mais en raison de la limitation de la vitesse de la lumière, notre vision est limitée à environ 45 milliards d’années-lumière de distance. Au-delà de cette distance, son expansion est si rapide que la lumière émise par ces régions ne nous parviendra jamais. Ainsi, la majeure partie du cosmos nous reste invisible, comparable à chercher à traverser une forêt obscure avec une lampe de poche dont le faisceau ne peut éclairer que jusqu’à une certaine distance.

Pas de centre

Par définition, l’Univers englobe tout ce qui existe. Cela signifie qu’il ne peut y avoir de limites externes, car toute division impliquerait quelque chose en dehors de lui. Ainsi, il pourrait être si vaste qu’il serait impossible de localiser un centre précis dans un espace infini.

Une autre perspective est que l’Univers pourrait être fini, mais courbé sur lui-même à une échelle cosmique très large. Cela signifierait que si vous voyagez assez loin dans une direction, vous finiriez par revenir à votre point de départ, tout comme si vous marchiez autour de la Terre et reveniez à votre point de départ après avoir traversé toutes les directions possibles. Dans ce scénario, il n’y aurait toujours pas de point central privilégié. Chaque point serait alors équidistant du " centre " dans cette structure courbée.

Prenons l’analogie de la Terre : vous pouvez facilement identifier le centre de la planète en pointant vers son noyau, mais il est impossible de désigner un centre sur la surface d’une carte, car chaque point peut sembler être au centre de sa propre perspective. De la même manière, le Big Bang, l’événement qui a marqué le début de notre Univers, n’a pas eu lieu en un point de l’espace, mais à un instant précis dans le temps. Il a marqué le commencement de l’expansion de tout l’espace et de tout le temps simultanément.

Ainsi, même si d’un point de vue terrestre, toutes les autres galaxies semblent s’éloigner de la Voie lactée, donnant l’illusion que nous sommes au centre de l’expansion de l’Univers, cette perception est trompeuse, car toute galaxie pourrait prétendre être au centre de son propre champ d’expansion, chaque point dans l’espace ayant une perspective similaire.

La quête du centre de l’Univers nous invite donc à reconsidérer notre conception de l’espace, du temps et de notre place au sein de ce vaste cosmos en évolution perpétuelle. Elle nous enseigne que bien que nous soyons au centre de notre propre horizon observable, chaque point dans l’Univers peut légitimement prétendre être au centre de son propre univers observable. C’est une perspective vertigineuse, mais enrichissante qui nous pousse à apprécier la relativité de notre position dans cet espace immense en constante expansion.

Des taches mystérieuses découvertes à l'intérieur des cellules réécrivent l'histoire du fonctionnement de la vie

De minuscules particules appelées condensats biomoléculaires conduisent à une nouvelle compréhension de la cellule

C'est une transformation radicale de notre conception de la biologie cellulaire, portée par la découverte de structures insaisissables et fascinantes : les condensats biomoléculaires. Ces entités singulières, longtemps éclipsées par le schéma classique de la cellule – dominées par la représentation de compartiments stables et limités par des membranes, à l'image du noyau, des mitochondries ou de l'appareil de Golgi – s'imposent peu à peu comme des protagonistes essentiels de l'organisation et du fonctionnement du vivant. Elles se présentent comme des gouttelettes, éphémères parfois, dynamiques toujours, dont la matérialité s'étend bien au-delà de la simple juxtaposition de molécules dans la masse cellulaire.

Sous ce vocable d'apparence anodine, " condensats biomoléculaires ", se cache un univers dont la richesse ne cesse de surprendre. Fruit de la rencontre entre la biologie et la physique des matériaux mous, ces agrégats sont issus de phénomènes de séparation de phase, un processus bien connu des physiciens, rappelant la formation de gouttes de pluie dans un nuage. À une concentration critique, certaines protéines ou acides nucléiques interagissent faiblement pour s'assembler en " liquide dans le liquide ", formant ainsi un micro-domaine où la composition et les propriétés diffèrent sensiblement du reste de la cellule. Cette logique bouleverse la vision antérieure d'une cellule compartimentée uniquement par des barrières linéaires : les condensats, eux, n'ont pas de membranes et restent pourtant distincts, modulables, prêts à émerger, fusionner ou disparaître selon les besoins immédiats de l'organisme.

Leur découverte ne doit rien au hasard : longtemps restées invisibles à cause de leur transparence et de leur fugacité, elles n'ont été révélées que grâce à l'avènement de techniques avancées de microscopie et de marquage moléculaire. Depuis, ils se sont imposés comme ubiquistes auprès des biologistes : présents dans la plupart des organismes, du végétal à l'animal, dans toutes les grandes branches du vivant, ils sont désormais reconnus comme des chefs d'orchestre silencieux de la cellule. Mais quelle est leur fonction ? Ici s'ouvre un paysage d'une complexité inédite : ils servent de sites privilégiés de concentration et d'organisation de l'information génétique, de régulation de l'expression des gènes, de réparation de l'ADN, de gestion du cycle de l'ARN ou de réponse rapide à divers stress environnementaux. Ils permettent justement à la cellule, au plus proche du temps réel, de centraliser ou d'inhiber des réactions, d'accélérer certains processus biochimiques tout en offrant la possibilité de les retenir en cas de nécessité, jouant ainsi un rôle de centraux nerveux éphémères et polyvalents.

Leur mode de fonctionnement est d'une souplesse remarquable : dépourvus de barrières physiques, ils recrutent des molécules et en libèrent d'autres, évoluant, se remodelant, selon des lois de densité, d'affinité et de compatibilité. Par exemple, lors d'un stress oxydatif ou thermique, la cellule forme rapidement des " corps de stress ", sortes de refuges liquides où certaines protéines et ARN sont temporairement stockés et inaccessibles, jusqu'à ce que l'équilibre revienne. L'existence de ces microdomaines pourrait expliquer pourquoi des réactions cellulaires cruciales se déroulent à des vitesses et avec une précision qui échappaient jusqu'alors à toute modélisation.

À ce phénomène se rattache une implication scientifique de tout premier plan : la question des origines mêmes de la vie. Il est désormais plausible qu'avant la formation des premières membranes cellulaires, la chimie du vivant ait trouvé dans ces condensats une ancêtre efficace ; on suppose que des gouttelettes proto-cellulaires ont permis, par leur capacité à concentrer et organiser des biopolymères dans la soupe primitive, la naissance des processus prébiotiques essentiels. Une telle perspective rehausse également l'importance des condensats dans l'évolution, leur plasticité ayant pu favoriser l'innovation biologique à l'échelle moléculaire.

Par ailleurs, ces structures jouent un rôle signé dans l'étiologie de plusieurs affections humaines : des maladies neurodégénératives comme la sclérose latérale amyotrophique ou la maladie d'Alzheimer pourraient s'expliquer, du moins en partie, par une transition pathologique des condensats, basculant d'un état liquide réversible vers des états solides ou fibreux, qui piègent et détournent ainsi les composants cellulaires de leur fonction initiale. Cette idée ouvre une perspective nouvelle sur la maladie : une pathologie de la matière cellulaire, au-delà du simple code génétique ou de la mutation de protéines individuelles.

Enfin, la recherche sur les condensats biomoléculaires, à la croisée des frontières disciplinaires, forge un paradigme où la cellule n'est plus une mosaïque de machines statiques, mais un environnement fluide, dynamique, peuplé de foyers d'activité émergente : un théâtre encombré de nuages mobiles, de gouttelettes en perpétuelle transformation, où l'ordre et le désordre, la stabilité et la mutation se conjuguent pour conférer au vivant sa remarquable robustesse tout autant que sa plasticité. C'est une invitation à repenser l'architecture même du vivant, à chercher les lois d'organisation dans le jeu fluctuant des énergies faibles, dans ce ballet incessant de formations et de dissolutions, à la fois orchestré et imprévisible, qui anime le cœur même de la cellule.



 

Des chercheurs japonais ont eu la brillante idée de confronter des pigeons à des photographies de tableaux de grands maîtres, comme Monet et Picasso. Et les oiseaux sont parvenus à différencier les toiles cubistes des impressionnistes.

On prend souvent les oiseaux pour des animaux plutôt stupides. Pourtant, comme le montre cette étude, les pigeons peuvent différencier un tableau de Monet de celui de Picasso. Ce n'est malgré tout qu'une piètre prestation à côté des corvidés (corbeaux, pies, geais...) capables de résoudre des tâches très complexes. Des corneilles se servent d'outils tandis que les pies se reconnaissent dans le miroir. 

Pourquoi obliger des pigeons à contempler une toile de maître ? L'idée des scientifiques de l'université Keio, au Japon, paraît complètement délirante. Pour preuve, cette recherche leur a valu un prix : le fameux IgNobel de psychologie en 1995.  

Monet et Picasso figurent parmi les peintres les plus célèbres. Le premier est devenu le fer de lance de l'impressionnisme, dont l'un des tableaux le plus célèbre, Impression soleil levant, a donné le nom au mouvement pictural. Celui-ci se caractérise par des scènes quotidiennes mises en image d'une manière personnelle, sans rétablir la stricte vérité du paysage mais en mettant en lumière la beauté et la surprise de la nature.

Il tranche nettement avec le cubisme, apparu quelques décennies plus tard, sous le pinceau de deux génies, Georges Braque et Pablo Picasso. Ce courant en termine avec le réalisme et y préfère la représentation de la nature par des formes étranges et inconnues.

Une simple éducation picturale permet à n'importe quel être humain de différencier les deux mouvements. Mais qu'en est-il des pigeons ? 

Ce n'est pas tout à fait avec cette idée que des chercheurs de l'université de Keiro, au Japon, se sont lancés dans une expérience troublante, à savoir si ces oiseaux à la mauvaise réputation pouvaient différencier un Monet d'un Picasso. Ils souhaitaient simplement étudier la discrimination visuelle chez ces volatiles et tester leur perception du monde. Les résultats sont livrés dans Journal of the Experimental Analysis of Behaviour daté de mars 1995.

L’étude : les pigeons sont-ils impressionnistes ou cubistes ?

Pour le bon déroulement de l'expérience, les scientifiques disposaient de pigeons dits "naïfs", c'est-à-dire que leurs sujets n'avaient jamais suivi des études d'art appliqué. Il fallait donc les trouver. Malgré la difficulté de la tâche, huit cobayes ont participé aux tests.

Les oiseaux étaient classés en deux groupes. Dans l'un d'eux, les quatre volatiles recevaient des graines de chanvre (la plante à partir de laquelle on tire le cannabis) dès qu'une peinture de Monet apparaissait, mais rien face à une œuvre de Pablo Picasso. Bien évidemment, le même renforcement positif existait pour les quatre autres pigeons, cette fois quand on les confrontait à une toile du maître cubiste. Les scientifiques ont eu la gentillesse d'éviter les pièges et de choisir des peintures caractéristiques de chaque courant pictural.

La deuxième partie est intéressante car elle vise à généraliser le concept. Ainsi on confrontait nos nouveaux critiques d'art à des tableaux de leur maître préféré qu'ils n'avaient encore jamais vus. Les volatiles ne se sont pas laissé impressionner et ont de suite compris le stratagème. En appuyant du bec sur une touche située devant eux, ils pouvaient manifester leur choix et être récompensés le cas échéant.

Quasiment aucune erreur dès le premier essai. De même pour les suivants. Mieux, les adeptes du cubisme réclamaient à manger quand ils voyaient un tableau de Georges Braque tandis que les autres appuyaient frénétiquement sur le bouton à la vue d'un tableau de Cézanne ou Renoir, deux autres impressionnistes. 

Enfin, l'épreuve ultime. Qu'est-ce que ça donne si on met Monet et Picasso la tête à l'envers ? Cette fois, il faut reconnaître que les résultats sont plus mitigés. Si l'expérience n'a pas affecté les performances des pigeons cubistes, il n'en a pas été de même pour l'autre groupe, incapable d'y voir les œuvres pour lesquelles ils avaient tant vibré.

Les auteurs de ce travail suggèrent alors que leurs cobayes à plumes impressionnistes reconnaissaient dans les toiles des objets réels et devenaient incompétents quand leur univers était représenté à l'envers. De l'autre côté, les fans de Pablo Picasso s'habituaient à discriminer des formes inédites, qui le restaient même retournées. La preuve que les pigeons maîtrisent eux aussi l'art de la catégorisation. 

L’œil extérieur : de l'intérêt de l’art chez les pigeons

Certes, cette découverte ne révolutionnera pas le monde mais en dit davantage sur les performances cognitives des pigeons. Après tout, il n'y a pas que notre intelligence qui compte ! Voyons-le comme une manière de sortir de l'anthropocentrisme, même si le parallèle avec l'être humain se fait toujours.

Cette recherche s'inscrit surtout dans un contexte où les oiseaux étaient testés dans leur sensibilité à l'art. Car si ce travail focalise son attention sur les génies de la peinture, d'autres scientifiques avaient affirmé en 1984 que ces mêmes animaux pouvaient différencier du Bach et du Stravinsky (évidemment, on parle de musique). D'autres études (tout aussi passionnantes...) montrent la façon dont les scientifiques ont habitué les pigeons à l'image de Charlie Brown, un personnage de bande dessiné inventé en 1950.

Est-ce vraiment mieux ? La seule différence est qu'à cette époque, les prix IgNobel n'existaient pas encore...

La raison physique pour laquelle tout se désagrège 

Les choses ont tendance à se dérégler. Nous le savons intuitivement, mais depuis 200 ans, les physiciens en ont aussi saisi l'explication mathématique. Une propriété énigmatique, appelée entropie, qui décrit grosso modo le degré de désordre d'un système, a tendance à toujours augmenter. Autrement dit, les choses deviennent plus désordonnées et mélangées avec le temps. Les physiciens appellent cette tendance le deuxième principe de la thermodynamique, mais il s'agit plus d'une question de statistiques que de physique. L'entropie augmente simplement parce qu'il y a bien plus de façons d'être désordonné que d'être ordonné.

Prenons une goutte d'encre dans un bassin d'eau. Imaginez toutes les configurations possibles des molécules d'encre et d'eau. Les arrangements où les molécules d'encre restent groupées en une petite forme de larme sont rares, comparés à toutes les configurations où elles sont dispersées dans tout le bassin. Le deuxième principe énonce simplement que les molécules, en s'agitant et en se poussant les unes les autres, finiront inévitablement dans un état plus probable (encre uniformément répartie) plutôt que dans un état spécial et rare (encre concentrée en un point).

Presque tous les systèmes connus fonctionnent de la même manière. Les morceaux de sucre se dissolvent dans le café. Les parfums se diffusent dans une pièce. Les vagues dispersent les grains d'un château de sable sur la plage.

Les physiciens ont commencé à comprendre la croissance de l'entropie au milieu du XIXe siècle, mais aujourd'hui, une approche plus moderne existe. Comme l'a expliqué Zack Savitsky dans son exploration approfondie du concept l'année dernière, l'entropie peut se concevoir comme une mesure de l'incertitude ou de l'ignorance.

Cette définition alternative remonte à un article de 1948 du mathématicien américain Claude Shannon, qui a établi une théorie de la communication. Dans cette théorie, un message à faible entropie possède une structure reconnaissable, comme la goutte d'encre. Par exemple, le message abababab… a une faible entropie, donc une faible incertitude : après quelques caractères, vous pouvez deviner la suite. En revanche, une suite aléatoire comme fkale93xh… a une entropie élevée, et vous ne pouvez pas prédire ce qui suit.

Cette notion plus générale d'entropie comme incertitude éclaire encore mieux pourquoi les systèmes tendent vers le désordre, conformément au deuxième principe. Prenons un jeu de cartes : à sa sortie de l'emballage, l'ordre est parfaitement prévisible (as, deux, trois, etc.). Mais après quelques mélanges, il devient impossible de savoir quelle carte suit un as. Notre ignorance augmente à chaque brassage, car le jeu atteint un état désordonné, bien plus probable.

C'est aussi vrai pour l'univers dans son ensemble. Les arrangements les plus courants des atomes et molécules sont uniformes, où aucune partie ne contient d'information révélant l'arrangement ailleurs. Ainsi, au fil des changements, l'univers évolue inévitablement vers des états plus probables : monotones et sans structure.

Quoi de neuf ?

Certains physiciens sont insatisfaits du flou du deuxième principe. Le présent devrait mener à un seul futur, disent-ils, alors pourquoi parler de statistiques sur plusieurs futurs possibles ? Ces chercheurs ont récemment progressé dans la dérivation de la nature statistique du deuxième principe à partir de principes quantiques absolus.

L'inéluctabilité du deuxième principe a attiré l'attention sur des cas semblant le défier. En 2017, des physiciens ont découvert des "cicatrices quantiques", où des motifs dans des chaînes de particules se brisent puis réapparaissent spontanément. D'autres groupes ont construit un type étrange d'ordre magnétique persistant à haute température, alors que l'entropie efface normalement toute structure. Et puis il y a la vie elle-même, arrangement hautement ordonné de molécules.

Mais ces exemples exploitent simplement les petites lignes du deuxième principe. Les cicatrices quantiques correspondent à un jeu de cartes très spécial et une technique de mélange particulière permettant à l'ordre de revenir – pas à une baisse générale d'entropie. L'ordre magnétique persiste en laissant croître un autre type de désordre plus rapidement. Il survit à l'entropie croissante au lieu de la défier. Les biophysiciens estiment que les organismes vivants agissent de même, maintenant leur entropie faible en augmentant considérablement celle de leur environnement. Ainsi, ces exceptions apparentes confirment la règle.

L'entropie a aussi servi à percer l'un des mystères les plus obscurs de l'univers : les trous noirs. Dans les années 1970, le physicien Jacob Bekenstein a remarqué que les trous noirs semblaient violer le deuxième principe : en avalant des tasses ou des planètes, ils effaçaient leur entropie, réduisant ainsi celle de l'univers extérieur. Mais Bekenstein a estimé qu'il ne fallait jamais parier contre le deuxième principe : les trous noirs devaient donc posséder leur propre entropie, croissant avec leur taille. Pour beaucoup de physiciens, cela suggère que les trous noirs sont composés de multiples éléments réarrangeables, comme un gaz de molécules. Étrangement, ces éléments semblent résider à leur surface plutôt qu'à l'intérieur – un mystère considéré comme une piste majeure pour comprendre la gravité quantique.

Mais l'héritage le plus durable de l'entropie pourrait être la façon dont elle aide à définir le futur lui-même. On peut affirmer que la "flèche" du temps pointe dans la direction de l'entropie croissante. Cette idée a nourri des recherches sur les origines quantiques du temps et de sa mesure.

Une particule mystérieuse découverte au CERN pourrait révolutionner notre vision de l’univers !

Le CERN, le célèbre centre de recherche situé à la frontière franco-suisse, a récemment annoncé une avancée scientifique qui pourrait révolutionner notre compréhension des particules fondamentales de l’univers. En analysant des données collectées lors des collisions de protons au LHC (Grand collisionneur de hadrons), une équipe de chercheurs a mis en évidence une particule qui pourrait être le plus petit hadron jamais observé : le toponium.

Qu’est-ce qu’un hadron et pourquoi cette découverte est-elle importante ?

Pour comprendre l’ampleur de cette découverte, il est essentiel de revenir sur quelques bases de la physique des particules. Les hadrons sont des particules subatomiques composées de quarks, les éléments constitutifs des protons et des neutrons. Ils se divisent en deux grandes familles : les baryons (comme les protons) et les mésons, qui sont plus légers. Ces particules sont fascinantes car elles obéissent aux lois de l’interaction forte, l’une des quatre forces fondamentales qui régissent l’univers.

Le toponium est une particule encore plus exotique. Il fait partie des particules dites de quarkonium, des particules formées de paires quark-antiquark d’un même type de quark lourd. Dans le cas du toponium, il est composé de quarks top, qui sont parmi les plus lourds et les plus instables.

Cela étant dit, jusqu’à présent, cette particule échappait aux chercheurs, en grande partie à cause de sa durée de vie extrêmement courte, rendant sa détection particulièrement difficile. Son étude pourrait fournir des informations précieuses pour compléter notre compréhension du Modèle standard, la théorie qui décrit les particules et les forces fondamentales.

Une découverte inattendue au CERN

Les chercheurs de la collaboration CMS, travaillant sur la détection de nouvelles particules et phénomènes dans les collisions de haute énergie au LHC, ont fait une découverte surprenante. Lors de l’analyse de collisions proton-proton à une énergie de 13 téraélectronvolts (TeV) entre 2016 et 2018, ils ont observé un excès de paires de quarks top. Les chercheurs ont constaté que cet excès de paires pourrait être un indice de la présence du toponium.

Cette observation a été rendue possible grâce à des méthodes de détection très avancées, utilisant des modèles théoriques pour interpréter les résultats expérimentaux et affiner l’analyse des données.

Pourquoi cette particule est-elle si difficile à détecter ?

La principale difficulté pour détecter le toponium réside dans sa très courte durée de vie. Le toponium est formé par des quarks top, qui sont parmi les particules les plus lourdes du modèle standard. En raison de leur masse élevée, ces quarks se désintègrent presque instantanément après la création du toponium. Cette désintégration rapide empêche les scientifiques de l’observer directement avant qu’elle ne disparaisse.

En plus de sa durée de vie ultra-courte, le toponium est une particule unique, différente de toutes celles étudiées jusqu’à présent. Contrairement à d’autres particules similaires, appelées " quarkonia ", qui se désintègrent généralement par un processus où la matière et l’antimatière s’annihilent mutuellement, le toponium se désintègre d’une manière différente. Dans ce cas, ce sont les quarks eux-mêmes qui se transforment, ce qui complique encore son identification.

 Un modèle encore à confirmer

Malgré les résultats prometteurs, les scientifiques restent prudents. Bien que l’hypothèse d’un toponium soit soutenue par les données, d’autres explications sont possibles, notamment celle d’une particule de Higgs supplémentaire. Cette hypothèse serait un prolongement des théories existantes sur le boson de Higgs, la particule découverte en 2012 qui joue un rôle clé dans la manière dont les autres particules acquièrent leur masse.

Pour confirmer ou infirmer l’existence du toponium, les chercheurs prévoient de recourir à un modèle plus précis de cette particule, ainsi qu’à des expérimentations supplémentaires avec les détecteurs ATLAS, l’autre grande expérience du LHC. Ils espèrent ainsi solidifier la preuve de cette découverte et peut-être repousser encore plus loin les frontières de la physique des particules.

Une découverte qui ouvre de nouvelles perspectives

Si la découverte du toponium est confirmée, elle constituerait un véritable bouleversement dans la physique des particules. Cette particule pourrait non seulement permettre de mieux comprendre les propriétés des quarks top, mais aussi aider à éclaircir certains des mystères non résolus du Modèle standard.

En particulier, elle pourrait fournir des indices sur des phénomènes qui échappent encore aux théories actuelles, comme la matière noire et l’énergie noire, des éléments fondamentaux de l’univers qui ne peuvent pas encore être expliqués par les connaissances scientifiques actuelles.

Le toponium serait aussi un objet d’étude fascinant pour les chercheurs en physique théorique, qui tentent de créer une version plus complète de la physique des particules, en intégrant des éléments comme la gravité quantique. La détection de cette particule pourrait bien être le premier pas vers une nouvelle révolution scientifique, ouvrant la voie à une compréhension encore plus profonde des lois de l’univers.

En somme, bien que la découverte du toponium ne soit pas encore confirmée, elle marque un tournant dans l’exploration de la physique des particules. Le LHC continue de repousser les limites de notre compréhension du monde subatomique, et cette potentielle découverte pourrait être l’une des clés pour résoudre certains des plus grands mystères de l’univers.