En 1900, l’éminent physicien Lord Kelvin s’est adressé à l’Association britannique pour le progrès de la science en ces termes : « Il n’y a plus rien de nouveau à découvrir en physique aujourd’hui. »
Comme il avait tort ! Le siècle suivant a complètement bouleversé la physique. Un grand nombre de découvertes théoriques et expérimentales ont transformé notre compréhension de l’univers et de la place que nous y occupons.
Ne vous attendez pas à ce que le 21e siècle soit différent. L’univers comporte beaucoup de mystères qui restent encore à découvrir, et les nouvelles technologies nous aideront à les résoudre au cours des 50 prochaines années.
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Où est passée l’antimatière ?
L’un d’eux concerne les fondements de notre existence. La physique prédit que le big bang a produit des quantités égales de la matière qui nous constitue et de quelque chose qu’on appelle l’antimatière. La plupart des particules de matière ont un double d’antimatière, identique mais avec une charge électrique opposée. Quand les deux se rencontrent, ils s’annihilent l’un l’autre, et toute leur énergie est convertie en lumière.
Aujourd’hui, l’univers est presque entièrement constitué de matière. Où donc est passée toute l’antimatière ?
Le Grand collisionneur de hadrons (LHC, pour Large Hardon Collider) nous a renseignés sur cette question. Le LHC produit des collisions de protons à des vitesses inimaginables, créant de lourdes particules de matière et d’antimatière qui se décomposent en particules plus légères, dont plusieurs qu’on n’avait jamais observées auparavant.
Le LHC a montré que la matière et l’antimatière ne se désintègrent pas au même taux. C’est une des explications – qui est loin d’être suffisante – de l’asymétrie que nous observons dans la nature.
De nouveaux collisionneurs
Le problème, c’est que pour des physiciens habitués à un très grand niveau de précision, utiliser le LHC, c’est comme jouer au ping-pong avec une raquette de tennis. Comme les protons sont composés de particules plus petites, lorsqu’ils entrent en collision, leurs entrailles sont projetées partout, ce qui rend extrêmement complexe la détection de nouvelles particules parmi les débris. Il est donc difficile de mesurer avec précision leurs propriétés pour mieux comprendre la disparition de l’antimatière.
Trois nouveaux collisionneurs vont changer la donne dans les décennies à venir. Le principal d’entre eux est le Futur collisionneur circulaire (FCC) – un tunnel de 100 km encerclant Genève qui utilisera les 27 km du LHC comme rampe de lancement. Au lieu de protons, les collisionneurs vont percuter des électrons et leurs antiparticules, les positrons, à des vitesses beaucoup plus élevées que celles que peut atteindre le LHC.
Contrairement aux protons, les électrons et les positrons sont indivisibles. Ainsi, on saura exactement ce qui se percute. On pourra également varier l’énergie à laquelle les deux se heurtent afin de produire des particules d’antimatière spécifiques et de mesurer leurs propriétés – en particulier la façon dont elles se décomposent – avec beaucoup plus de précision.
Aux origines de notre existence
Ces recherches pourraient révéler une physique entièrement nouvelle. Une des théories est que la disparition de l’antimatière serait liée à l’existence de la matière noire – des particules jusqu’ici indétectables qui constituent 85 pour cent de la masse de l’univers. L’absence d’antimatière et la prédominance de la matière noire s’expliquent probablement par les conditions présentes lors du big bang, de sorte que l’on s’apprête à sonder directement les origines de notre existence.
Il est impossible de prédire comment les découvertes futures des expériences de collision vont changer nos vies. Mais la dernière fois que nous avons regardé le monde à travers une nouvelle loupe plus puissante, nous avons découvert les particules subatomiques et le monde de la mécanique quantique, ce qui nous permet aujourd’hui de révolutionner l « informatique, la médecine et la production énergétique.
Seuls ou pas seuls ?
Il reste également de nombreuses découvertes à faire à l’échelle cosmique, notamment la réponse à l’éternelle question : « Sommes-nous seuls dans l’univers ? » Même si on a récemment trouvé de l’eau liquide sur Mars, il n’existe encore aucune preuve de vie microbienne. Et si on en trouvait, elle serait assurément très primitive, à cause de l’environnement rude de la planète.
La recherche de vie sur les planètes d’autres systèmes stellaires n’a pas porté fruit jusqu’ici. Mais le télescope spatial James Webb, qui sera lancé en 2021, révolutionnera la détection des exoplanètes habitables.
Si les télescopes précédents mesurent la baisse de lumière provenant d’une étoile quand une planète en orbite passe devant elle, James Webb utilisera plutôt un instrument appelé coronographe pour bloquer la lumière stellaire qui entre dans le télescope. C’est un peu comme lorsqu’on prend sa main pour empêcher la lumière du soleil de nous éblouir. Cette technique permettra au télescope d’observer directement de petites planètes qui seraient normalement baignées dans la lumière de leur étoile.
En plus de détecter de nouvelles planètes, le télescope James Webb pourra déterminer si elles sont aptes à abriter la vie. Lorsque la lumière d’une étoile atteint l’atmosphère d’une planète, certaines longueurs d’onde sont absorbées, laissant des « trous » dans le spectre réfléchi. À la manière d’un code-barres, ces trous fournissent une signature pour les atomes et les molécules qui constituent l’atmosphère de la planète.
Le télescope pourra lire ces « codes à barres » pour déceler si l’atmosphère d’une planète possède les conditions nécessaires à la vie. D’ici 50 ans, nous pourrions avoir des cibles pour de futures missions spatiales interstellaires afin de déterminer ce qui pourrait y vivre.
De la vie sur Jupiter ?
Plus près de chez nous, Europa, une des lunes de Jupiter, a été identifiée comme étant un endroit de notre système solaire qui pourrait abriter la vie. Malgré sa température froide (-220 °C), les forces gravitationnelles de la planète ultra-massive autour de laquelle elle tourne peuvent agiter suffisamment d’eau sous la surface pour l’empêcher de geler, ce qui en fait un habitat possible pour la vie microbienne ou même aquatique.
La nouvelle mission Europa Clipper, dont le lancement est prévu en 2025, permettra de confirmer l’existence d’un océan souterrain et de choisir un site d’atterrissage approprié pour une mission ultérieure. Elle observera également les panaches de vapeur d’eau provenant de la surface glacée de la planète pour voir si des molécules organiques s’y trouvent.
Que ce soit pour les plus petits éléments constitutifs de notre existence ou l’immensité de l’espace, l’univers recèle encore bon nombre de mystères sur son fonctionnement et notre place en son sein. Il ne dévoilera pas ses secrets facilement, mais il y a de fortes chances que nous ayons une conception complètement différente de l’univers dans 50 ans.
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