Au cours de la conférence de presse dans laquelle il a été révélé comme l'un des lauréats du prix Nobel de physique 2019, James (Jim) Peebles a été invité à indiquer une seule découverte ou percée de sa longue carrière qui mettrait le prix en contexte. Peebles a alors répondu : « C'est le travail d'une vie. »
C'est une description parfaite de sa contribution à notre compréhension de l'univers. Sa carrière est si influente qu'il est largement reconnu comme l'un des principaux architectes du domaine de la cosmologie physique, l'étude de l'origine, de la structure et de l'évolution de l'univers. Je ne suis pas le seul à considérer Peebles comme le plus grand cosmologiste vivant.
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La carrière de chercheur de Peebles a débuté au début des années 1960. Ce scientifique d'origine canadienne a obtenu son baccalauréat à l'Université du Manitoba, puis son doctorat avec le groupe de Robert Dicke à l'Université Princeton, au New Jersey, en 1962. Il y est resté depuis. M. Peebles détient maintenant le titre de professeur de sciences Albert Einstein à Princeton.
Dans les années 1960, le groupe de Dicke travaillait sur des prédictions théoriques - et les conséquences observationnelles correspondantes - pour l'état de l'univers « primordial », la phase qui suit immédiatement le Big Bang pendant quelques centaines de milliers d'années. À cette époque, la théorie du Big Bang pour la formation de l'univers n'était pas encore pleinement acceptée, malgré les preuves d'observation que les galaxies s'éloignaient les unes des autres.
Le groupe de Dicke travaillait sur la théorie que si l'univers était en expansion, alors il devait être beaucoup plus petit, plus chaud et plus dense dans le passé. La prédiction était que le rayonnement thermique de cette époque pourrait être encore observable aujourd'hui comme le rayonnement de fond pénétrant l'univers. Le groupe de Princeton concevait également des instruments pour tenter de le détecter.
Entre-temps, Arno Penzias et Robert Wilson, travaillant pour Bell Labs (également au New Jersey), avaient détecté un bruit de fond persistant inhabituel dans leur expérience. Ils étudiaient l'utilisation de ballons « écho » de haute altitude, une sorte de communication par satellite précoce.
Lorsque Penzias et Wilson ont demandé conseil au groupe de Dicke, il est devenu clair qu'ils avaient effectivement détecté ce qu'on appelle le fonds diffus cosmologique (l'acronyme en anglais est CMB). C'est le nom donné à un rayonnement électromagnétique très homogène.
Le résultat a sans doute été la naissance du champ de la cosmologie observationnelle, une branche de la physique qui a révolutionné notre vision du cosmos et de la place que nous y occupons. Peebles a joué un rôle central dans notre compréhension théorique de l'univers primordial et de son évolution. Il a également reconnu que le CMB était un trésor d'informations qui pouvait être pillé. En particulier, il contient des indices sur la formation des structures cosmiques - les galaxies - et des indices sur la nature fondamentale de l'univers lui-même.
Une grande partie du travail de Peebles s'est concentrée sur la compréhension de l'émergence et de la croissance de la structure dans l'univers à partir des conditions primordiales codées dans le CMB. Ce faisant, il a contribué à définir tout un champ d'études.
Par exemple, au début des années 1970, il a été l'un des premiers à effectuer des simulations informatiques de la formation de structures cosmiques, une pratique qui est aujourd'hui une branche entière de la recherche, où les cosmologistes explorent ce qu'on appelle des « univers de jouets » (toy universes).
Matière noire
Peebles a aidé à introduire la « zone d'ombre » dans notre modèle de l'univers, en devenant un pionnier de ce que l'on appelle maintenant le modèle standard de la cosmologie. Dans ce modèle, l'univers est dominé par des formes mystérieuses de matière et d'énergie que nous ne comprenons pas encore pleinement, mais dont l'existence est étayée par des observations. La matière normale a maintenant une pertinence cosmique presque négligeable par rapport à cette matière noire et à cette énergie noire.
Peebles a produit un tel corpus d'œuvres qu'il est impossible de rendre justice à tout cela dans ce court article. Dans l'un de ses articles les plus influents,il a lié les fluctuations subtiles de la température du CMB - qui reflètent les ondulations de la densité de la matière peu après le Big Bang - avec la façon dont la matière est distribuée à grande échelle dans l'univers actuel. Le lien existe parce que toute la structure que nous voyons autour de nous aujourd'hui doit avoir grandi à travers l'évolution de ces semences primordiales.
Peebles a fait avancer le concept d'une composante de matière noire dans l'univers et ses implications pour l'évolution de la structure. Grâce à ce travail et à d'autres, il a aidé à établir le cadre théorique de la façon dont les galaxies se sont formées et ont évolué. Et il a démontré comment les observations du CMB et la distribution des galaxies pourraient être utilisées comme preuves pour aider à mesurer les paramètres cosmologiques clés, les nombres qui figurent dans les équations que nous utilisons pour décrire la nature de l'univers.
L'influence de Peebles ne s'arrête pas là. Outre ses contributions monumentales à la recherche fondamentale, couvrant le CMB, la matière noire, l'énergie noire, l'inflation, la nucléosynthèse, la formation des structures et l'évolution des galaxies, ses manuels ont formé des générations de cosmologues. Ils seront pertinents pour les années à venir. Ses principes de cosmologie physique se retrouvent sur mon bureau en ce moment.
Lors de la conférence de presse du prix Nobel, Peebles a tenu à souligner qu'il ne travaillait pas seul. Mais dire qu'il a largement contribué à façonner notre compréhension de l'univers est un euphémisme cosmique.
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