La théorie et l’observation astronomiques s’unissent pour ausculter les premices de l’univers à la recherche des secrets de la physique fondamentale

Le but est de produire une nouvelle génération d’astronomes qui comprenne la théorie et l’observation

Le futur de la recherche en physique fondamentale réside dans l’observation des prémices de l’univers et dans le développement de modèles qui expliquent les nouvelles données obtenues. La disponibilité de données d’une résolution bien plus élevée, d’un endroit plus proche des débuts de l’univers, crée le potentiel pour de nouvelles percées théoriques importantes et un progrès résolvant certaines des questions les plus difficiles et intraitables en physique. Mais ceci demande bien plus d’interaction entre la théorie astronomique et l’observation, et en particulier le développement d’une nouvelle couvée d’astronomes qui comprennent l’une et l’autre.

Telle était la conclusion clé d’un récent atelier organisé par la Fondation européenne de la science (ESF), réunissant à la fois des experts dans la cosmologie, l’astrophysique et la physique des particules. " Je pense que la réalisation de l’importance de cela, et de la quantité d’efforts qui doivent être faits pour arriver à cette étape, sera l’héritage à long terme de l’atelier, " a fait remarquer Carlos Martins, Secrétaire de l’atelier de l’ESF. " En particulier, beaucoup de travail doit être fait afin de fournir un " soutien théorique" pour le futur travail d’observation. Finalement, ceci signifie qu’en formant la prochaine génération de chercheurs dans ce domaine, beaucoup plus d’efforts doivent être faits pour former des chercheurs ‘bilingues', qui maîtrisent parfaitement à la fois le langage de l’observation et de la théorie.

En effet l’astronomie retourne à ses racines, depuis que les premières grandes découvertes ont été faites par des gens comme Galilée pour lesquels la théorie et l’observation étaient deux côtés de la même pièce. A la suite de quoi le domaine s’est séparé en deux, et théoriciens et observateurs ont divorcé cessant toute communication mutuelle. Aujourd’hui, cependant l’émergence de plateformes d’observation hautement sophistiquées, capables de prendre différents types de mesure dépendant de considérations théoriques, signifie que les deux ne font qu’un et sont à nouveau étroitement entrelacés.

Deux développements clés sont la capacité d’emmener les instruments d’observation dans l’espace où des observations plus exactes peuvent être faites hors de l’influence de l’atmosphère et du champ magnétique terrestres, et la disponibilité d’horloges atomiques à haute précision pour mesurer le minutage jusqu’aux nanosecondes. En même temps, il devient clair qu’il y a une limite à la quantité de ce qui peut-être découvert dans les laboratoires liés à la terre, même ceux qui sont aussi importants que l’accélérateur à grandes particules Hadron utilisé par le CERN, l’Organisation européenne pour la Recherche nucléaire, en Suisse. Le premier univers de l’autre côté est un laboratoire naturel avec l’échelle et l’énergie requise fournissant le potentiel pour explorer plus profondément les processus fondamentaux liées à la matière et à l’énergie. " L’idée était de réunir la plus haute expertise européenne en cosmologie, astrophysique et physique des particules, faire que les différentes sous communautés soient au courant de ce qui est fait ‘ailleurs’, et de concentrer nos efforts sur l’utilisation du premier univers comme d’un laboratoire dans lequel nous puissions explorer la physique fondamentale – d'une façon que nous ne pourrions jamais réussir à faire si nous nous restreignons à des tests de laboratoire, " dit Martins.

L’atelier a également discuté des questions fondamentales que ces nouvelles observations pourraient aider à résoudre, en particulier si oui ou non il existent des champs scalaires dans tout l’univers. A la différence par exemple des champs magnétiques, qui ont à la fois force et direction, les champs scalaires ont seulement la force, variant d’un point à un autre. Ils existent assurément à l’intérieur de certains système clos, tels que la distribution de la température à l’intérieur de l’atmosphère terrestre, mais on ne sait pas encore s’ils existent à l’échelle de l’univers. Comme Martin l’a fait remarquer, c’est une question vitale parce que l’existence des champs scalaires pourrait aider à expliquer comment l’univers s’est développé après le Big Bang et est devenu celui que nous observons aujourd’hui. Par exemple les champs scalaires pourraient expliquer l’existence de la matière noire et de l’énergie, ce qui ne peut être observé qu’indirectement à partir de leurs effets gravitationnels sur la partie de l’univers que nous pouvons voir.

De nouvelles observations pourraient aussi aider à confirmer des aspects des théories actuelles, comme par exemple l’existence d’ondes grativationnelles selon les prédictions de la Relativité générale d’Einstein. Les ondes gravitationnelles sont supposées être des ondulations à travers l’espace temps rayonnant vers l’extérieur à partir d’un objet mouvant. Toutefois les ondulations sont si petites qu’il est très difficile de les mesurer, avec la seule preuve observationnelle venant jusque là des pulsars, qui sont des étoiles neutron binaires très denses en rotation les unes autour des autres. La révolution des pulsars semble ralentir de manière convaincante avec l’existence des ondes gravitationnelles leur faisant perdre de l’énergie, ce qui doit cependant encore être confirmé.

Finalement, il y a aussi la perspective de faire davantage de progrès dans le domaine de l’astronomie elle-même, par exemple des horloges atomiques portées par l’espace pour calibrer des spectrographes avancés qui à leur tour seront utilisés pour chercher des planètes " extra-solaires " dans les systèmes d’etoile voisine.

L’atelier, Tests atrophysiques de la Physique fondamentale a eu lieu à Porto, au Portugal en mars 2008. http://www.astro.up.pt/esf2008

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