Cosmologie fastoche (3/3)

Part 3: à l'assaut du principe anthropique

Source: ici

Récapitulons: L'univers s'est sans doute formé il y a un peu plus de 13 milliards d'années; il est homogène, isotrope et respecte bien les règles de géométrie du genre "la somme des angles des ses triangles fait 180°" et "le périmètre d'un cercle vaut son diamètre fois pi", bref il est "euclidien". Son avenir est de s'agrandir de plus en plus vite et indéfiniment mais on notre univers observable, lui, est de taille finie et constante. L'exploration du passé est bien plus spéculative et pleine de surprises...

Le fonds diffus cosmologique ou pourquoi les métaux sont toujours opaques
Aussi loin qu'on le regarde, l'univers s'étend de plus en plus vite. Si l'on remontait dans le temps, on le verrait donc se contracter de plus en plus et devenir de plus en plus dense et chaud, comme un gaz qu'on comprime dans un piston. Or au-dessus d'une certaine température, vers 3000K environ, le gaz se transforme en plasma, sorte de soupe brûlante dans lequel tous les atomes sont ionisés et où les électrons se promènent librement comme dans un métal conducteur. Et comme le métal, le plasma est complètement opaque à la lumière: tout photon tentant de le traverser est immédiatement absorbé par un électron passant dans le coin. Impossible de voir au travers de la surface du soleil, même avec des filtres sophistiqués, car sa surface est justement à l'état de plasma. Notre jeune univers n'est donc devenu "transparent" que lorsque sa température est passée en dessous de 3000 degrés.

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Cosmologie fastoche (2)

Part2: Comment faire parler l'équation FLRW

Vous savez maintenant comment on trouve l’équation de l’univers (baptisée FLRW du nom de ses découvreurs) en écrivant simplement que l'énergie se conserve dans un univers homogène, isotrope et qui se dilate dans le temps. Mais je ne suis pas sûr que vous éprouviez encore une profonde jubilation intérieure en songeant que H² = (å/a)² = 8πGρ/3 -K/a² où H est la constante de Hubble, a(t) le facteur d'échelle (å sa dérivée), ρ la densité de matière de l'univers et K une constante. Au cas -très improbable- où vous ne voueriez pas un culte fervent à cette formule, il me faut vous en expliquer les merveilleux secrets.

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Cosmologie fastoche (1)

Leonard Susskind n'est pas seulement un des grands physiciens du moment, ténors de la théorie des cordes et des "multivers", c'est aussi un extraordinaire pédagogue. En particulier son cours de cosmologie (disponibles en podcast) est un petit bijou de vulgarisation. Cette semaine voici par exemple comment il retrouve l'équation de l'univers (rien que ça!) en n'utilisant que des notions de physique classique (niveau Lycée).

Chapitre 1: l'équation de l'univers
L'histoire commence au début des années 1920, lorsque l'astronome Edwin Hubble découvre avec les tout nouveaux téléscopes de l'époque, que ce que l'on appelait des nébuleuses (celle de Trifide à gauche) correspondaient en réalité à d'autres galaxies que la nôtre, à des centaines de millions d'années lumière de nous.

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L'eau et la vie extraterrestre: quel rapport?

On associe souvent l'eau à une condition nécessaire à la vie: Pas d'eau, pas de vie. D'où l'émoi que suscite chaque découverte de traces d'eau sur les planètes de notre système solaire. Mais pourquoi ce qui serait indispensable à la vie sur Terre le serait-il dans d'autres systèmes extra-terrestres? Ne peut-on imaginer que la vie sous d'autres formes se soit développée grâce à d'autres substances que l'eau?

La réponse tiendrait à ce que la vie ne peut se développer que dans un milieu liquide et que l'eau est le meilleur -si ce n'est le seul- candidat à une telle présence sous forme abondante.

La naissance de la vie suppose un grand nombre de réactions chimiques qui impliquent de nombreuses interactions entre les molécules. Dans un milieu solide, les molécules sont souvent peu mobiles et interagissent peu. Dans un gaz, elles sont certes très mobiles, mais aussi très éloignées les unes des autres rendant les échanges moins probables. Un milieu liquide est donc naturellement plus favorable à la multiplication de réactions chimiques et probablement nécessaire à la naissance de la vie sur une planète.

L'eau est une des molécules abondantes dans l'univers car constituée elle-même d'atomes très abondants. L'hydrogène, le plus simple des atomes (un proton et un électron) représente 92% des atomes de l'univers. L'oxygène bien que plus complexe (8 protons et 8 électrons) est aussi l'un des atomes les plus fréquents de l'univers car né des réactions de fusion entre atomes d'Hélium des premières étoiles.

Ensuite l'eau tend naturellement à rester liquide plus que d'autres molécules similaires, (source: Wikipedia) notamment du fait des liaisons entre atomes d'hydrogène de molécules voisines, qui "s'accrochent" ainsi les unes aux autres:
- L'eau s'évapore à température particulièrement élevée par rapport à sa masse moléculaire, car il lui faut beaucoup d'énergie pour briser ces liaisons hydrogènes.
- L'eau possède cette propriété rare d'être plus dense liquide que solide. Alors que dans tout autre substrat, le liquide flotte en surface et gèle en profondeur, l'eau reste liquide en profondeur, protégée de surcroît par la couche de glace en surface. Comme elle atteint sa densité maximale à 4°C, la température maximale du fond d'un lac descend rarement en dessous de cette température, permettant ainsi la survie de son écosystème en cas de grand froid.

Enfin l'eau possède des propriétés biochimiques intéressantes pour le développement de la vie:
- c'est un "solvant doux", ni acide ni basique et peu oxydant vis-à-vis des molécules carbonnées y baignant. L'eau permet de dissoudre de nombreuses molécules sans les modifier chimiquement et sans se modifier elle-même.
- Sa tension superficielle particulièrement élevée est propice au phénomène de capillarité très utilisé par les organismes vivants (les plantes en particulier).

Molécule abondante, particulièrement stable sous forme liquide et peu agressive par rapport à ce qui s'y baigne, l'eau est ainsi LE milieu idéal aux réactions chimiques entre atomes et molécules nécessaires à toute éclosion d'une forme de vie...

Nous ne verrons jamais ET...

Avons-nous la moindre chance de croiser un extra-terrestre d'une civilisation aussi développée que la nôtre (c'est-à-dire capable d'aller se promener dans l'espace, à la recherche d'une autre forme de vie)? La question est moins métaphysique qu'elle n'en a l'air, pourvu que l'on garde en tête le calendrier de l'univers (une bonne illustration ici). Et nanti de ce viatique, quelques probabilités permettent de relativiser cruellement cette perspective.

Mon hypothèse principale est qu'une civilisation qui a le pouvoir d'aller dans l'espace a une espérance de vie courte, car elle est probablement également capable technologiquement de s'auto-détruire. Avec une bombe nucléaire entre les mains il est probable que notre monde civilisé durera moins de quelques millénaires.
Soyons très optimistes et imaginons qu'une telle civilisation ait une espérance de vie de 100 000 ans.

Ma deuxième hypothèse est qu'une civilisation évoluée a pu se créer n'importe quand dans le calendrier cosmique de l'univers. Il n'y a pas une date ou une période propice à l'émergence d'une telle civilisation.

Sous ces hypothèses, se faire rencontrer deux telles civilisations (la nôtre et l'extraterrestre), c'est faire coexister deux événements aléatoires d'une durée de 100 000 ans sur une échelle de 12 millards d'années.
Il y a donc une chance sur 120 000 pour que cela arrive... On peut toujours attendre, même si c'est plus que la probabilité de gagner le gros lot au Loto (une chance sur 14 millions)!

Par exemple, si un extraterrestre venait sur Terre, il aurait 3 chances sur 4 de n'y trouver qu'une soupe bactérienne pour unique forme de vie (durant 3 milliards d'années), une chance sur 8 de tomber sur des vertébrés (500 millions d'années) et une chance sur 8000 de tomber sur des homo sapiens (500 000 ans).

Dans notre quête de vie extraterrestre, on ne peut donc s'attendre qu'à trouver des traces de vie très primitives (bactéries) ou des restes de'une vie plus développée... mais disparue depuis des millions d'années.