Par Jean-Pierre Luminet

Éd. Fayard, 2001.

Futur explorateur des espaces interstellaires, curieux insatiable, mais aussi simple rêveur, vous ne pouvez vous passer de cet ouvrage. Le propos peut sembler excessif, d’autant plus que le livre est dense en informations et le sujet ardu : l’explication des phénomènes de l’Univers. Mais le talent de l’auteur, astrophysicien à l’Observatoire de Meudon, ainsi que les nombreux petits dessins en couleurs permettent une immersion totale dans le monde magique de l’astrophysique.

Mensuel Ça m’intéresse, juin 2001.

L’observation et la connaissance de l’univers sont deux des plus anciennes sciences de l’humanité. Jean-Pierre Luminet, astrophysicien à l’Observatoire de Meudon, est un spécialiste réputé des trous noirs et autres objets célestes. Il se penche cette fois sur un sujet vertigineux : quelle est la forme de l’univers ?

Est-il vraiment raisonnable, à l’heure où le Nasdaq donne le tournis aux marchés financiers et où l’épidémie de fièvre aphteuse menace l’Europe, de se demander vers quoi tend l’Univers, et pourquoi les couloirs de l’espace-temps gardent toujours leurs mystères ? Ce sont pourtant les questions qui tracassent Jean-Pierre Luminet. Cet astrophysicien de l’observatoire de Meudon est un spécialiste réputé des trous noirs et autres objets célestes dont la fin est presque toujours apocalyptique. C’est aussi un de ces conteurs de la science que tout enfant rêve d’avoir pour grand-père. Un savant qui sait le nom de toutes les étoiles et connaît l’étrange vie des comètes. Les vocations naissent parfois au hasard d’une rencontre ou d’une lecture de jeunesse. Celle de Jean-Pierre Luminet est venue de la découverte d’une encyclopédie d’astronomie citant les travaux d’un certain Albert Einstein sur la relativité générale et l’espace courbe. L’image métaphorique de ce " mollusque d’espace-temps " aura un impact décisif sur le futur astrophysicien. " Dès lors, je n’ai eu de cesse d’expliciter cette étrange affirmation - quel est ce mollusque universel - et je n’ai plus jamais contemplé du même œil les beaux cieux étoilés de ma Provence natale. Ce n’était plus les myriades d’étoiles coulant dans la Voie lactée comme des rivières de diamants qui m’intriguaient, c’était ce qu’il y avait autour, c’était l’espace. ". L’univers est plein d’objets bizarres qui intéressent particulièrement Jean-Pierre Luminet. À commencer par les trous ors, qui sont les corps les plus massifs qui peuplent les galaxies. Ce concept récent - il date de 1968 - décrit un astre dont la masse et la densité atteindre des valeurs pratiquement infinies. Pour transformer notre soleil en trou noir, il faudrait réduire sa taille à celle d’une boule de 3 kilomètres de rayon. Pour réussir la même opération avec la Terre, il faudrait la comprimer de façon qu'elle devienne une bille de 1 centimètre de diamètre !

Ces objets supermassifs existent probablement au centre de chaque galaxie., y compris dans notre voie lactée. Ils attirent irrésistiblement tout ce qui passe à proximité et rien ne peut s’extraire ou s’échapper d’un trou noir. Même pas la lumière, qui reste prisonnière de ces astres invisibles. Outre leur densité, ils possèdent une qualité spéciale : leur comportement est relativiste, et ils déforment le temps et l’espace. Un trou noir content tellement d’énergie qu’il creuse un " puits " dans le tissu élastique de l’espace-temps environnant. Toute particule ou tout rayon lumineux pénétrant dans la zone critique est définitivement capturé par cet aimant implacable. Les trous noirs fascinent les astrophysiciennes tout autant que les auteurs de science-fiction, et les premiers inventent en permanence des concepts qui nourrissent l’imaginaire des seconds. Ces " anomalies spatio-temporelles " ne sont rien à côté des " trous de ver ". Selon certains modèles mathématiques, ces structures déroutantes pourraient devenir des tunnels de communication permettant de relier deux univers à la vitesse de la lumière. " Certaines trajectoires pourraient même permettre de remonter le temps ", précise Jean-Pierre Luminet. Mais l’existence de ces couloirs à remonter le temps, quoique " très sérieusement étudiée dans les laboratoires ", reste hypothétique : " Aussitôt formé dans des conditions idéalisées, un trou de ver serait détruit par la moindre particule ou rayon lumineux ", précise Jean-Pierre Luminet.

Le bestiaire cosmique comprend d’autres corps déconcertants comme des mousses, des cordes ou des fils, confirmant l’incroyable diversité de la matière. Résultat, l’espace pourrait donc bel et bien être " chiffonné " et comprendre de gigantesques lentilles qui démultiplient les sources lumineuses, créant des images fantômes. Malgré l’épouvantable complexité cette topologie cosmique, l’auteur estime que " certaines de ces énigmes sont sur le point d’être élucidées ".On saura donc bientôt si le mollusque universel est plat, courbe, en forme de selle de cheval, rugueux, lisse, cabossé, plissé ou, tout bonnement chiffonné.

Alain Perez, Les Échos, 19 mars 2001.

Vertiges. Et si l'Univers n'était qu'une flamboyante illusion ? Un noir labyrinthe éclaboussé d'images fantômes, tapissé d'étranges miroirs virtuels... Si par la magie de la structure même du cosmos les astres par milliards que nous apercevons au zénith n'étaient ainsi que les reflets répétés, bégayés, de quelques étoiles seulement ? Peut-être alors y aurait-il 10 ou 100 fois moins d'étoiles dans le ciel que ce que nous pensons.

Notre propre galaxie, la Voie lactée, serait peut-être visible plusieurs fois dans le ciel, sous d'autres angles, avec d'autres formes apparentes. Et peut être encore, si nous disposions d'un télescope infiniment puissant, pourrions-nous apercevoir au loin les reflets bleutés d'une petite planète étrangement et forcément familière, la Terre. Hérésie ? Hallucination ? Pas aux yeux de Jean-Pierre Luminet, astronome à l'observatoire de Paris-Meudon. " Ce sont des univers que j'appelle chiffonnés ... Dans un tel espace les trajectoires des rayons lumineux émis par n'importe quelle source de lumière empruntent quantités de chemins pour nous parvenir, chacun épousant les plis du chiffon cosmique. " L'astrophysicien de concéder que si cette hypothèse de travail est chère à son coeur et à son esprit, elle est toutefois loin d'être prouvée.

Nous surprendre, nous révéler notre myopie, voilà son but. Aveugles terriens que nous sommes... Malgré nos télescopes, nos satellites et nos expériences de physique, nous ne pouvons savoir vraiment quelle est la forme, la " topologie ", disent les mathématiciens, de l'espace. Comme la fourmi qui trottine sur la paroi d'un cylindre, nous sommes incapables de savoir si nous vivons dans un monde courbe, sur un monde plan, dans un monde infini ou fini... Finalement nous ne savons même pas si l' Univers a un bord, une limite, un mur, et encore moins si cette question a un sens.

Une question posée, au bas mot, depuis vingt-cinq siècles. Abordée par Archimède dans l' Arénaire en proposant de compter les grains de sable capables de remplir le volume du monde. Le résultat ? Un million de milliards de milliards de milliards de milliards de milliards (10 puissance 51) de grains de sable pour un monde géocentrique (avec la Terre au centre). Mais en adoptant un système avec le soleil au centre de l'Univers (héliocentrique), comme proposé par Aristarque de Samos, Archimède arrive à un nombre encore 10 milliards de fois plus considérable ...

On est encore loin des décomptes modernes. Par exemple, les physiciens imaginent aujourd'hui que le nombre d'atomes contenus dans l'Univers est encore 1 milliard de milliards de fois supérieur ... Sachant qu'il y en a, en moyenne, une dizaine par mètre cube d'espace, voilà une jolie échelle du monde ...

Fini ou infini notre univers ? Archimède, comme la plupart des penseurs de l'Antiquité, penche vers le fini. On voit venir la contradiction. Si l'Univers est porté par le vide, quelle est la raison de ce vide ? 2000 ans plus tard, les mathématiciens vont voler au secours des physiciens. Les nouvelles géométries, introduites au XVIIIe siècle, proposent des univers finis mais sans limites, sans bord. Comment est-ce diable possible ? Il nous faut d'abord abandonner l'idée empoisonnée que notre vision, au sens de nos yeux, du monde est la réalité. Accepter que les mathématiques peuvent nous livrer un outil de perception du monde bien plus puissant que nos sens. Le meilleur exemple en est la surface d'une sphère. Elle est finie, mesurable, mais n'a pas de bord. Pourquoi n'en serait-il pas de même pour l'univers ?

Et Luminet, habité depuis son enfance par une étrange obsession à vouloir comprendre la forme du cosmos, fasciné par l'image d'un "univers-mollusque" construit par Einstein dans le cadre de la théorie de la relativité, de nous entraîner dans son dernier ouvrage, " L'Univers chiffonné ", sur les pentes et les courbes vertigineuses de la topologie.

Une des conséquences d'un tel espace replié, tourneboulé sur lui-même, serait que l'Univers réel serait plus petit, en dimensions, que l'univers apparent ! Exactement le contraire de ce que nous pensons intuitivement... Pas toujours facile, ce bel ouvrage mérite bel et bien le détour en forme de looping en onze dimensions. Au moins aura-t-on l'impression d'avoir rencontré un étrange au coin d' univers !

Qu'est-ce que l'espace, qu'est-ce que le temps ? L'univers a-t-il une origine et une fin ? L'espace est il fini ou infini ? Est-il parsemé de mirages visuels, à l'instar du palais des glaces de la fête foraine ? Existe-t-il d'autres univers ? Dans " l'Univers chiffonné ", qui vient de paraître chez Fayard, Jean-Pierre Luminet nous entraîne dans un voyage intergalactique où la géométrie de l'espace tient le premier rôle. L'espace, suggère en effet l'astrophysicien, loin d'être un réceptacle passif empli de matière et de rayonnement, est une entité physique et dynamique. Il a une chair, écrit-il encore, et cette chair est " l’énergie du vide ". Une énergie que les scientifiques ont néanmoins bien du mal à cerner. Bousculant à plaisir notre perception usuelle du monde, l'auteur entend nous démontrer, illustrations à l'appui, que l'espace peut aussi bien être courbe, voire " biscornu ", " chiffonné ", sans enfreindre les lois de la relativité générale. Aussi étranges qu'elles paraissent, les pistes qu'il explore posent, à leur façon, la question de la place de l'homme dans l'Univers.

Luminet n'ignore évidemment pas que les questions sur la nature, la grandeur et l'origine de l'Univers défient l’imagination des philosophes, des théologiens, des astronomes, des artistes depuis des siècles. Au XVIIIe siècle, ainsi, Emmanuel Kant rompt avec les explications de l'origine divine de la création de l'Univers comme raison suffisante. Cependant, il considère l'espace et le temps comme des entités absolues (transcendentales), inaccessibles comme telles à la connaissance concrète. La situation change radicalement au XXe siècle. " Avec l'avènement de la cosmologie relativiste, explique l'auteur, la science se dote de moyens de répondre, au moins partiellement, aux grandes questions cosmologiques, en combinant raisonnements mathématiques, modélisations physiques et observations astronomiques. " Dans les années 1920, alors que l'astronome Edwin Hubble observe pour la première fois la fuite des galaxies dans l'oculaire de son télescope, la théorie d’Albert Einstein - résumée dans la célèbre formule E= mc² - qui pose le principe d'équivalence entre l’énergie et la matière, introduit une vision totalement nouvelle de la gravitation universelle et du couple espace-temps. La théorie de la relativité générale fait du temps la 4e dimension et postule l'existence d'un espace-temps courbé par la matière et l'énergie, qui subit des déformations selon les influences gravitationnelles qu'exercent les uns sur les autres ses îlots de matière et d'énergie.

Depuis, les observations et les recherches ont confirmé que l'observation de la matière composant l'Univers est en mesure de fournir une foule d'informations sur son âge, la nature des phénomènes et des objets qui l’habitent - trous noirs, étoiles à neutrons, pulsars, quasars, etc.. - ainsi que sur les conditions de son apparition, il y a environ 15 milliards années. " En étudiant sous tous ses aspects le rayonnement de corps noir cosmologique, ce vestige refroidi du big bang capté par les radiotélescopes, on accède à de nombreuses propriétés de l'espace, sa courbure, son âge, sa topologie ", explique Jean-Pierre Luminet, qui souligne que la foisonnante multiplicité visible dans l'univers matériel - depuis les particules élémentaires jusqu'aux superamas de galaxies - doit s'expliquer par une " unité sous-jacente, un certain ordre caché, une certaine harmonie invisible ". Or, en remontant le temps sur l'échelle de la nucléosynthèse - le processus qui, au coeur des étoiles, aboutit à la production d'éléments de plus en plus lourds au fil de l'évolution - les scientifiques ont reconstitué les conditions qui régnaient dans l'Univers primitif, juste après le big bang. Ce terme, pas toujours bien compris, désigne le modèle théorique le plus probable de l'état initial de l'Univers. Proposé pour la première fois par le belge Georges Lemaître en 1931, c'est celui qui s'accorde le mieux avec le phénomène d'expansion découvert par Hubble (plus les galaxies sont éloignées, plus vite elles s'éloignent de nous...), mais aussi avec l'abondance des éléments et avec le fond diffus cosmologique - rayonnement fossile de l'état initial très chaud, aujourd'hui de très faible intensité, et présent dans tout l'Univers.

On peut donc évaluer l'âge de l'Univers en analysant la composition des astres, connaître son destin - est-il en expansion infinie, se refermera-t-il sur lui-même dans un " big-crunch " ? - en mesurant la densité totale de matière présente dans l'Univers. Mais réaliser de telles mesures implique de maîtriser les phénomènes à l'échelle subatomique, au-dessous du noyau de l'atome. Or, la théorie quantique a démontré, dès 1920, qu'à cette échelle la réalité même des phénomènes est fonction du mode d'observation : à quoi a-t-on affaire, onde ou particule ? Où est la frontière, si elle existe, entre la matière et l'énergie, la particule et l'onde ? Quel principe fondamental lie ces deux phénomènes ? Quel rôle joue donc le vide, cette " chair " de l'espace, dans la formation des galaxies ? La réponse tient au concept même du vide, risque Jean-Pierre Luminet : le vide, comme absence de toute particule ou de tout rayonnement, ne se réduit pas à rien, " mais à un niveau d'énergie fondamental qui représente l'état le plus stable de la nature. Cette énergie du vide peut être si grande qu'elle domine toutes les autres formes d'énergie matérielle, et par là-même gouverne la structure et le destin de l'Univers ". Toutefois, la valeur exacte de cette énergie, aussi appelée " constante cosmologique ", demeure en mystère pour l'astrophysique, comme d'ailleurs la nature de la " matière noire ", ces corps dont la réalité est admise - notamment grâce aux trous noirs - mais qui semblent échapper à toute mesure...

La conviction du cosmologiste est que ces énigmes ne sont pas sans lien avec nos conceptions des " formes " et des " topologies " possibles de l'espace. Dans cette optique, en tout cas, son travail d'investigation n'a d'autre limite que celle d'une démonstration qui s'imposent la règle mathématique, et s'abandonne à la créativité de l'abstraction rationnelle. Espaces aux multiples structures, à onze ou vingt-quatre dimensions, indéfiniment lisses, finis ou infinis, criblés de trous, repliés sur eux-mêmes ? Univers biscornus, chiffonnés ? L'espace comme règne du possible... Si la vérité de l'Univers réel - celui qui contient effectivement les objets matériels, ondes et galaxies - ne se confond pas avec ces espaces irréels de la fantaisie mathématique, elle lui ressemble peut-être plus qu'on ne croit, semble dire Luminet. Ainsi, l'étude des astres et de la matière combinée à la géométrie et aux mathématiques pourrait permettre d'en savoir plus sur la structure spatiale de l'Univers à grande échelle. Jean-Pierre Luminet nous invite à prendre part à cette quête et à plonger avec lui dans les voluptés séductrices de la beauté sidérale.

Votre exposé de cette thèse déconcertante mais extraordinairement séduisante est magistral pour la beauté limpide de son écriture, la richesse intellectuelle et poétique des perspectives qu'il ouvre et le remarquable jeu des références, des renvois et des épigraphes littéraires dont les chapitres sont parsemés. Il y a longtemps qu'un ouvrage de cosmologie ne m'avait à ce point passionné. Je ne prétendrai pas que j'en ai saisi dans le détail toutes les données, mais l'ensemble, grâce aussi aux croquis qui l'accompagnent, est tout à fait accessible au public. Je ne possède pas de grandes connaissances en topologie, mais vous m'en avez éclairé les principes essentiels. Et puis la théorie des mirages célestes m'a absolument subjugué : non seulement fondée sur le plan observationnel (la Croix d'Einstein photographiée par Hubble), mais apportant une sérieuse assise à votre thèse centrale qui est encore loin d'être répandue et partagée par l'ensemble des astrophysiciens! Je lisais récemment une page entière du Monde consacrée aux problèmes cosmologiques actuels, sans une seule allusion à votre livre, ce qui est un scandale, et qui donnait pour vérités admises et généralisées la théorie de l'univers plat euclidien et de l'inflation, que vous récusez l'une et l'autre avec de solides arguments. Pourquoi n'organise-t-on pas à la TV un débat sur cette question fondamentale où vous apportez vraiment du nouveau? Il est vrai que la science et la recherche intéressent fort peu le petit écran. Mais la presse? Je suis curieux de connaître ce qui a été dit, pour le meilleur ou pour le pire, d'un livre que je tiens pour ma part comme une somme de démonstrations et d'hypothèses incontournables. (…) Vous modifiez singulièrement notre image de l'univers ? Hé bien tant mieux! Vous êtes équitable avec Einstein et Lemaître que vous admirez tout en resituant leurs théories dans leur époque avec leurs limites et leurs inévitables tâtonnements. J'ai lu quelque part que c'est Einstein qui avait eu l'idée du Big Bang, lui qui le récusait! Mais la réflexion sur ce prodigieux et encore mystérieux phénomène originel, vous la complétez par d'intelligentes analyses. Tout pas nouveau dans la connaissance de notre univers est aussi une somme inépuisable pour la réflexion poétique.

Charles Dobzynsky, écrivain et poète, rédacteur de la revue Europe, mai 2001.