George Smoot sur l'architecture de l'univers

Je me suis dit que j'essaierais de changer un peu votre perspective sur le monde, et que je vous montrerais certaines des architectures qu'on trouve dans la nature. Et donc, j'ai ma première diapositive pour évoquer l'aube de l'univers et ce que j'appelle "Les Experts - Cosmos", c'est-à-dire observer les reliques de la création et déduire ce qui s'est passé au début, et puis suivre le déroulement et essayer de le comprendre.

Et donc une des questions que je vous ai posées c'est quand vous regardez autour de vous, que voyez-vous ? Bon, vous voyez cet espace créé par des concepteurs et par le travail de diverses personnes, mais ce que vous voyez en fait c'est un tas de matériaux qui étaient déjà là, et qui ont été remodelés en une certaine forme. Et donc la question c'est : comment ces matériaux se sont retrouvés là ? Comment ont-ils pris la forme qu'ils avaient avant d'être remodelés, et ainsi de suite ? La question c'est: quelle est la continuité ? Donc l'une des choses que j'observe c'est comment l'univers est né et a pris forme ? Quel a été le processus dans la création et l'évolution de l'univers pour aboutir à la situation où on trouve ces types de matériaux ?

Donc, voilà pour cette partie, et je vais passer à la suite et vous montrer le Champ Ultra Profond de Hubble. Si vous regardez cette image, ce que vous verrez c'est beaucoup d'obscurité avec quelques objets lumineux dedans. Quatre de ces objets sont des étoiles, et vous pouvez les voir là - les petits plus. Ça c'est une étoile, ça c'est une étoile, toutes les autres sont des galaxies, d'accord ? Il y a donc deux ou trois mille galaxies, que vous pouvez voir facilement à l'œil nu ici. Et lorsque j'observe cette galaxie en particulier, qui ressemble beaucoup à la nôtre, je me demande s'il y a là-bas une conférence en cours dans une université de conception artistique, et des êtres intelligents qui réfléchissent à, vous savez, quelles architectures ils peuvent créer, et il pourrait y avoir quelques cosmologues essayant de comprendre d'où vient l'univers lui-même, et il se pourrait même que certaines personnes dans cette galaxie nous regardent et essaient de deviner ce qu'il se passe ici.

Mais il y a beaucoup d'autres galaxies, certaines sont proches, et elles ont comme la couleur du soleil, et d'autres sont plus loins et elles sont un peu plus bleues, etc... Mais une des questions c'est - ça devrait l'être pour vous - Comment se fait-il qu'il y ait tant de galaxies ? Parce que ceci représente une fraction bien précise du ciel. Seulement 1000 galaxies. Nous pensons qu'il y a environ... pour ce qui est visible par le Télescope Spatial Hubble si vous aviez le temps de scanner tout autour, de l'ordre de 100 milliards de galaxies. D'accord ? C'est un très grand nombre de galaxies. Et c'est à peu près le nombre d'étoiles dans notre propre galaxie.

Mais quand vous regardez certaines de ces régions comme ici, vous verrez plus de galaxies que d'étoiles, ce qui est une sorte d'énigme. Donc la question qui devrait vous venir à l'esprit c'est, quel type d'architecture, vous voyez... quel type de processus créatif et quel type d'architecture ont produit un monde comme celui-là ? Et maintenant je vais vous montrer que c'est en fait beaucoup plus compliqué. Nous allons essayer de l'étudier. Nous avons un outil qui nous aide vraiment dans cette étude, c'est le fait que l'univers est si incroyablement grand que c'est une machine à remonter le temps, dans un certain sens. On dessine cet ensemble de sphères imbriquées en coupe pour que vous le voyez. On met la Terre au centre des sphères imbriquées, simplement parce que c'est de là que nous réalisons nos observations. Et la lune n'est qu'à 2 secondes, donc si vous prenez une image de la lune en utilisant la lumière ordinaire, c'est la lune telle qu'elle était il y a 2 secondes, et on s'en fiche. Deux secondes c'est comme si c'était le présent. Le Soleil est à 8 minutes. C'est pas un si gros problème, d'accord, sauf s'il y a des éruptions solaires qui arrivent et que vous voulez dégager du chemin. Vous apprécieriez d'avoir un avertissement un peu à l'avance.

Mais vous arrivez à Jupiter et c'est à 40 minutes. C'est un problème. Vous entendez parler de Mars, c'est un problème de communiquer avec Mars parce que la lumière met beaucoup de temps pour l'atteindre. Mais si vous regardez le plus proche ensemble d'étoiles, les 40 ou 50 étoiles les plus proches, c'est environ 10 ans. Donc si vous prenez une photo de ce qui s'y passe, l'image a 10 ans. Mais quand vous allez regarder le centre de la galaxie, l'image a des milliers d'années. Si vous regardez Andromède, qui est la grande galaxie la plus proche, l'image a deux millions d'années. Si vous aviez pris une image de la Terre il y a deux millions d'années, il n'y aurait aucune trace des humains, parce que nous ne pensons pas qu'il y avait déjà des humains. Je veux dire, ça vous donne juste l'échelle. Avec le Télescope Spatial Hubble, nous regardons de quelques centaines de millions d'années à un milliard d'années dans le passé.

Mais si nous étions capables de trouver un moyen de voir plus loin - il y a des choses encore plus loin, et c'est ce que j'ai fait dans nombre de mes travaux, de développer les techniques - nous pourrions voir encore plus tôt à des époques antérieures à l'apparition des étoiles et des galaxies, lorsque l'univers était chaud et dense et très différent. Et donc c'est une séquence de ce genre, et j'ai une visualisation plus artistique de tout ça. Il y a la galaxie au centre, la Voie Lactée, et autour d'elle les galaxies proches visibles par Hubble, et il y a une sphère qui marque les différentes époques. Et derrière ça il y a quelques galaxies plus modernes.

Vous avez une bonne vue d'ensemble ? Le début des temps, c'est drôle - il est à l'extérieur, d'accord ? Et il y a une partie de l'univers que nous ne pouvons pas voir parce que c'est tellement chaud et dense, que la lumière ne peut s'échapper. De même qu'on ne peut pas voir le centre du Soleil, on doit utiliser d'autres techniques pour savoir ce qui se passe à l'intérieur du Soleil. Mais on peut voir les contours du Soleil, et l'univers marche de la même façon, et on peut observer ça. Et alors vous voyez cette sorte de zone modèle autour de l'extérieur, c'est la radiation qui nous vient du Big Bang, qui est en fait incroyablement uniforme. L'univers est presque une sphère parfaite, mais il y a ces toutes petites variations, que nous montrons ici de façon très exagérée. Et dans la séquence de temps, nous partons de ces petites variations pour passer par ces galaxies irrégulières et les premières étoiles jusqu'à ces galaxies plus modernes, et finalement le système solaire, et ainsi de suite.

Donc c'est un gros boulot de conception, mais nous allons voir comment les choses se passent. Ces mesures ont donc été effectuées au moyen d'un ensemble de satellites, et c'est ce que vous allez voir. Il y a eu le satellite COBE, qui a été lancé en 1989, et on a découvert ces variations. Et puis en 2000, le satellite MAP a été lancé - le WMAP - et il a pris pour ainsi dire de meilleures images. Et plus tard cette année - ça c'est la version clandestine, celle qui a vraiment des caractéristiques magnifiques, et vous devriez regarder - le satellite Planck sera lancé, et il fera des cartes en très haute définition. Et ça donnera la séquence de compréhension du tout début de l'univers.

Et ce que nous avons vu, ces variations, elles nous ont appris les secrets, à la fois de la structure de l'espace-temps, et de ce que contient l'univers, et de la manière dont il a entamé son mouvement initial. Nous avons donc cette image, qui est plutôt spectaculaire, et je vais revenir au début, où l'on trouve un processus mystérieux qui donne le coup d'envoi initial de l'univers. Et on passe par une période d'accélération de l'expansion, et l'univers grandit et se refroidit jusqu'à ce qu'il devienne transparent, alors ce sont les Âges Sombres, puis les premières étoiles s'allument, et elles se regroupent en galaxies, et puis plus tard apparaissent des galaxies plus vastes. Et quelque part autour de cette période, c'est le moment où le système solaire a commencé à se former. Et il a continué d'évoluer jusqu'à maintenant. Et il y a quelques choses spectaculaires. Cette partie en forme de corbeille, ça représente la structure de l'espace-temps lui-même au cours de cette période. Et c'est donc un modèle plutôt bizarre, d'accord ? Quelle sorte de preuve avons-nous de ça ?

Laissez-moi vous montrer quelques-uns des schémas naturels qui sont le résultat de ceci. Je considère toujours l'espace-temps comme la véritable substance de l'espace, et les galaxies et les étoiles comme l'écume sur l'océan. Elles désignent les endroits où se trouvent les ondes intéressantes et ce qui s'y est passé, quoi que ce fut. Voici l'Étude du Ciel Numérique Sloan montrant la localisation d'un million de galaxies. Il y a donc ici un point pour chaque galaxie. Ils sortent et pointent un télescope vers le ciel, prennent une photo, identifient les étoiles et les enlèvent, regardent les galaxies, estiment leur distance, et les positionnent, et inscrivent radialement la direction dans laquelle elles vont. Et vous voyez ces structures, cette chose que nous appelons le Grand Mur, mais il y a des vides et ces genres de trucs, qui semblent s'évanouir dans le lointain parce que le télescope n'est pas assez sensible pour aller jusque là.

Maintenant je vais vous montrer ça en 3D. Ce qui se passe, c'est que vous prenez des photos pendant que la Terre tourne, et vous obtenez un éventail à travers le ciel. Il y a certains endroits que vous ne pouvez pas observer à cause de notre galaxie, ou parce qu'il n'y a pas de télescopes disponibles pour le faire. L'image suivante vous montre donc la version rotative en 3 dimensions de ceci. Vous voyez les tracés en forme d'éventail à travers le ciel ? Rappelez-vous, chaque point ici est une galaxie, et vous voyez les galaxies, vous savez... en quelque sorte dans notre voisinage, et vous voyez la structure. Et vous voyez cette chose que nous appelons le Grand Mur, et vous voyez la structure complexe, et vous voyez les vides. Il y a des endroits où il n'y a aucune galaxie et des endroits où il y a des milliers de galaxies amassées entre elles, d'accord ? Il y a donc un schéma intéressant, mais nous n'avons pas assez de données ici pour véritablement voir le schéma. On a juste un million de galaxies, d'accord ? Nous jonglons avec disons un million de balles dans les airs mais, que se passe t-il ? Il y a une autre étude qui est très similaire à celle-ci, appelée l'Étude du décalage vers le rouge des galaxies dans le champ de deux degrés.

Maintenant nous allons voler à travers à un million de fois la vitesse de la lumière. Et chaque fois qu'il y a une galaxie - à sa place il y a une galaxie - et si nous savons quelque chose sur cette galaxie, ce qui est le cas, parce qu'il y a une mesure du décalage vers le rouge et tout le reste, on met le type de galaxie et la couleur, donc c'est la vraie représentation. Et quand vous êtes au milieu des galaxies c'est difficile de voir le motif ; c'est comme être au milieu de la vie. C'est difficile de voir le motif au milieu du public, c'est difficile de voir le motif de ceci. On va donc sortir, tourner autour et nous retourner vers l'ensemble. Et vous allez d'abord voir la structure de l'observation, et puis vous allez commencer à voir la structure des galaxies que nous voyons là. Donc à nouveau, vous pouvez voir l'extension de ce Grand Mur de galaxies qui apparait ici.

Mais vous pouvez voir les vides, vous pouvez voir la structure compliquée, et vous vous dites, bon, comment ça s'est produit ? Imaginez que vous êtes l'architecte du cosmos. Comment faites-vous pour placer des galaxies là-dedans en suivant un tel motif ? Ce n'est pas juste en les jetant au hasard. Il y a un processus plus compliqué à l'œuvre ici. Comment obtiendrez-vous ça au final ? Et donc maintenant nous voilà engagés dans un jeu très sérieux. C'est-à-dire qu'on doit sérieusement jouer à être Dieu, pas seulement changer la vie des gens, mais fabriquer l'univers, d'accord ? Donc si c'est votre responsabilité, comment allez-vous faire ça ? Quel genre de technique ? Quel genre de chose allez-vous faire ?

Je vais vous montrer les résultats sur une simulation à très grande échelle, de ce que nous pensons que pourrait être l'univers, en utilisant essentiellement certains des principes de jeu et certains des principes d'architecture que, vous savez, les humains ont travaillé si dur pour découvrir, mais qu'apparemment la nature connaissait dès le début. Il s'agit de commencer avec des ingrédients très simples et quelques règles simples, mais il faut avoir suffisamment d'ingrédients pour en faire quelque chose de complexe. Et là vous ajoutez un peu de hasard, quelques fluctuations et un peu de hasard, et vous réalisez tout un tas de représentations différentes.

Donc ce que je vais faire est de vous montrer la distribution de la matière comme une fonction d'échelles. On va zoomer, mais voilà une carte de ce dont il s'agit. Et nous avons dû ajouter une chose en plus pour que l'univers apparaisse correctement. On l'appelle la matière sombre. C'est de la matière qui n'interagit pas avec la lumière de la manière classique de la matière ordinaire, de la manière dont la lumière m'éclaire, moi ou la scène. Elle est transparente à la lumière, mais de façon à ce que vous la voyiez, on va la faire apparaître en blanc, d'accord ? Donc ce qui est blanc dans cette image, c'est de la matière sombre. On devrait l'appeler matière invisible, mais c'est la matière sombre que nous avons rendu visible. Et ce qui est jaune, c'est de la matière ordinaire qui est transformée en étoiles et en galaxies.

Donc je vais vous montrer la vidéo suivante. Donc ceci - on va zoomer. Remarquez ce motif et soyez attentifs à ce motif. On va zoomer et zoomer encore. Et vous allez voir tous ces filaments, ces structures et ces vides. Et quand un certain nombre de filaments se regroupent en un nœud, ça crée un super-amas de galaxies. Celui-ci sur lequel nous zoomons, représente, entre 100 000 et un million de galaxies rien que dans cette petite région. Donc nous vivons dans la campagne. Nous ne vivons pas au centre du système solaire, nous ne vivons pas au centre de la galaxie et notre galaxie n'est pas au centre de l'amas.

Donc on zoome. Ceci est une région qui contient probablement plus de 100 000, de l'ordre d'un million de galaxies dans cette région. On va continuer de zoomer, d'accord ? Et j'ai oublié de vous donner l'échelle. Un parsec fait 3.26 années lumière. Donc un gigaparsec c'est 3 milliards d'années lumière - voilà l'échelle. Il faut donc 3 milliards d'années à la lumière pour parcourir cette distance. Maintenant nous sommes à une distance du genre de... entre ici et ici, C'est la distance entre nous et Andromède, d'accord ? Ces petites taches que vous voyez ici, ce sont des galaxies.

Maintenant nous allons reculer, et vous pouvez voir cette structure qui, quand nous nous éloignons très loin, semble très régulière, mais qui est faite d'un tas de variations irrégulières. Donc ce sont des éléments de construction simples. C'est un fluide très simple au départ. Il contient de la matière sombre, de la matière ordinaire, il contient des photons et des neutrinos, qui ne joueront pas un rôle majeur dans la période moderne de l'univers. Et c'est juste un simple fluide et, le temps passant, il se développe en cette structure compliquée. Et donc vous voyez quand vous avez vu cette image pour la première fois, ça ne signifiait pas grand' chose pour vous. Ici vous observez 1% du volume de l'univers visible, et vous voyez des milliards de galaxies, d'accord, et des nœuds, mais on voit qu'ils ne sont même pas la structure principale. Il y a un squelette, qui est fait de matière sombre, de matière invisible, qui est là en fait et qui maintient l'ensemble de la structure.

Alors volons au travers, et vous pouvez voir comme il est difficile quand vous êtes au milieu de quelque chose de visualiser l'ensemble. Donc ici le même résultat final. Vous voyez un filament, vous voyez le blanc qui est la matière invisible, et le jaune qui sont les étoiles et les galaxies qui apparaissent. On va voler autour, et on volera autour, et vous verrez de temps en temps une intersection entre deux filaments, ce qui donne un large amas de galaxies. Et ensuite on volera vers là où se trouve le très large amas, et vous pouvez voir à quoi il ressemble. Et donc de l'intérieur, ça ne semble pas si compliqué, pas vrai ? C'est seulement lorsque vous le regardez à très grande échelle, et que vous l'explorez et ainsi de suite, que vous réalisez que c'est un type d'architecture extrêmement tortueux et complexe, d'accord ? Et ça s'est formé d'une certaine façon.

La question est donc, est-ce que ce serait dur de réaliser cet assemblage, d'accord ? De combien d'entrepreneurs auriez-vous besoin pour construire cet univers, d'accord ? C'est la question, pas vrai ? Et donc nous y voici. Vous voyez comment ce filament - vous voyez comment plusieurs filaments se rejoignent, et de ce fait forment ce super-amas de galaxies. Et vous devez comprendre, ce n'est pas ce à quoi ça ressemblerait en vrai si vous - déjà, vous ne pouvez pas voyager aussi vite, tout serait distordu, mais c'est juste un simple rendu et des arts graphiques, ce genre de choses. Si vous preniez des milliards d'années pour en faire le tour, c'est ce à quoi ça pourrait ressembler pour vous, d'accord ? Et si vous pouviez voir la matière sombre aussi.

Et donc l'idée c'est, vous voyez, comment vous fabriqueriez l'univers d'une manière très simple ? D'abord il faut réaliser que l'univers visible en entier, tout ce que nous pouvons voir dans toutes les directions avec le Télescope Spatial Hubble plus nos autres instruments, se trouvait autrefois dans une région qui était plus petite qu'un atome. Ça a commencé par de minuscules fluctuations mécaniques quantiques, mais s'accroissant à un rythme extraordinaire. Et ces fluctuations s'étiraient sur des distances astronomiques, et ces fluctuations sont en définitive ce que nous voyons dans le rayonnement cosmique micro-onde de fond. Et alors on a eu besoin d'un moyen de transformer ces fluctuations en galaxies puis en amas de galaxies puis en autres structures, et ainsi de suite.

Je vais donc vous montrer une simulation plus petite. Cette simulation a été calculée sur 1000 processeurs pendant un mois juste pour rendre cette simple version visible. Donc je vais vous en montrer une qui peut être calculée sur un portable en deux jours sur la prochaine diapo. Donc vous commencez par de petites fluctuations quand l'univers en était à ce point, maintenant 4 fois plus petit, et ainsi de suite. Et vous commencez à voir ces réseaux, cette structure en toile d'araignée cosmique qui se forme. Et c'est une simulation simple, parce qu'elle n'intègre pas la matière ordinaire et elle intègre juste la matière sombre. Et vous voyez comment la matière sombre s'agglutine, et la matière ordinaire ne fait que suivre derrière. Donc voilà. Au départ c'est très uniforme. Les fluctuations sont de l'ordre de une pour 100 mille. Il y a quelques pics qui sont à une pour 10 mille, et ensuite sur des milliards d'années, la gravité se contente d'agir.

Il y a une légère sur-densité, qui attire les matériaux autour. Ce qui attire d'autant plus de matériaux. Mais les distances dans l'univers sont si grandes et les échelles de temps si vastes que ça prend beaucoup de temps pour se former. Et cette formation continue jusqu'à ce que l'univers soit environ à la moitié de sa taille actuelle, relativement à son expansion. Et à ce moment-là, l'univers commence à accélérer mystérieusement son expansion et stoppe la formation de la structure à plus grande échelle. Donc vous voyons une structure à l'échelle la plus large que nous pouvons voir, et ensuite seules les choses qui ont déjà commencé à se former vont se former, et à partir de là ça va continuer.

On est donc capables de faire la simulation mais ça prend deux jours sur un ordinateur de bureau. Vous voyez, il nous faut 30 jours sur 1000 processeurs pour faire le genre de simulation que je vous ai montrée avant. Donc on a une idée de comment jouer sérieusement, créer l'univers en commençant avec en gros moins d'une goutte de matériaux, et on crée tout ce que nous pouvons voir dans toutes les directions, d'accord, de presque rien - c'est à dire, quelque chose d'extrêmement minuscule, extrêmement petit - et c'est presque parfait, sauf qu'il y a ces minuscules fluctuations à un niveau de 1 pour 100 mille, ce qui finit par produire les motifs et architectures intéressants que nous voyons, à savoir, les galaxies, les étoiles et ainsi de suite.

On a donc un modèle, et on peut le calculer, on peut l'utiliser pour créer des structures auxquelles nous pensons que l'univers ressemble vraiment. Et cette architecture est en quelque sorte bien au-delà de ce que nous imaginions à l'origine. Donc voici ce avec quoi nous avons commencé il y a 15 ans, avec l'Explorateur du Fond Cosmique - qui généra la carte en haut à droite, qui, en gros, nous a montré qu'il y avait des fluctuations à grande échelle, et en fait des fluctuations à plusieurs échelles. Vous pouvez le voir un peu. Depuis nous avons eu WMAP, qui nous a juste donné une plus haute résolution angulaire. On voit la même structure à grande échelle, mais on voit une structure supplémentaire à petite échelle. Et en bas à droite c'est comme si le satellite s'était retourné dans l'autre sens et avait cartographié la Terre, le genre de carte que nous aurions eu de la Terre. Vous pouvez voir, enfin... vous pouvez distinguer tous les continents majeurs, mais c'est à peu près tout.

Mais ce qu'on espère quand on passera sur Planck, c'est d'avoir une résolution à peu près équivalente à celle que vous voyez de la Terre là, où vous pouvez vraiment voir la structure compliquée qui existe sur la Terre. Et vous pouvez aussi déterminer, à cause des arêtes nettes et comment les choses s'emboitent, qu'il y a quelques processus non-linéaires à l'œuvre. La géologie génère ces effets, elle déplace les plaques un peu partout et ainsi de suite. Vous pouvez voir ça simplement à partir de la carte. Nous voulons en arriver au point dans nos cartes des débuts de l'univers où nous pourrons voir s'il y a des effets non-linéaires qui commencent à bouger, modifier, et nous donnent un indice sur le processus par lequel l'espace-temps lui-même fut effectivement créé au début des temps. Voilà donc où nous en sommes aujourd'hui, et ce dont je voulais vous donner un avant-goût. Vous donner une vision différente de ce à quoi l'architecture et tout le reste ressemble. Merci. (Applaudissements)