Prix Nobel de physique 2019 : cosmologie fondamentale et découverte de la première exoplanète

Après le Prix Nobel de médecine, c’était au tour du Prix Nobel de physique d’être décerné. Le mardi 8 octobre 2019, il a été attribué pour moitié au cosmologiste James Peebles pour ses travaux en cosmologie sur la matière noire, et pour l’autre moitié aux astrophysiciens Michel Mayor et Didier Queloz pour la découverte de la première exoplanète. En visant ces deux champs de recherche, le Comité Nobel souhaitait récompenser des découvertes ayant « révélé certains des plus grands mystères de l’Univers et précisé la place de l’Homme à l’intérieur de celui-ci ».

Le Canado-américain James Peebles, de l’Université de Princeton, a reçu la moitié du prix Nobel « pour ses découvertes théoriques en cosmologie ». L’autre moitié est partagée par les astrophysiciens suisses Michel Mayor et Didier Queloz « pour la découverte d’une exoplanète en orbite autour d’une étoile de type solaire ». Mayor est professeur à l’Université de Genève en Suisse et Queloz est à la fois à l’Université de Genève et à l’Université de Cambridge au Royaume-Uni.

James Peebles : un Univers composé majoritairement de matière et d’énergie noires

Peebles a joué un rôle clé dans le domaine de la cosmologie, « en transformant ce domaine d’une science spéculative à une science concrète » selon le Comité Nobel. Ses recherches ont révélé que 5% seulement de l’Univers sont constitués de matière et d’énergie ordinaires, tandis que les 95% restants sont constitués de matière et d’énergie noires ; deux entités dont la nature est encore inconnue aujourd’hui mais sur lesquelles de fortes contraintes observationnelles ont été posées ces dernières années.

Peebles a étudié la température du fond cosmique pour comprendre comment la matière a été créée lors du Big Bang. Il a également développé des outils pour expliquer comment l’Univers tel que nous le connaissons est né. Les infimes fluctuations quantiques survenues pendant l’inflation — une période d’expansion rapide de l’univers qui s’est déroulée moins d’un millionième de seconde après le Big Bang — ont donné lieu à des masses de matière qui ont fini par se transformer en galaxies.

Ces masses, ainsi que la matière noire toujours mystérieuse, expliquent la taille, la forme et la distribution des galaxies que nous voyons aujourd’hui. « Je ne travaillais pas seul » déclare Peebles, soulignant que des chercheurs de l’Union soviétique avaient largement contribué à la compréhension de l’évolution de l’Univers.

Après la détection du fond cosmique en 1964, le domaine a progressé par à-coups, il déclare : « J’ai également publié beaucoup d’idées incorrectes, vous savez ». Ses travaux ont finalement mené aux hypothèses de la matière et l’énergie noires.

Michel Mayor et Didier Queloz : découverte de la première exoplanète, « 51 Pegasi b »

La première exoplanète observée par Mayor et Queloz n’était visible à travers aucun télescope. Au lieu de cela, les astronomes ont intuitivement inféré son existence en observant la manière dont elle affectait son étoile. Leur recherche s’est appuyée sur le fait que les planètes ne gravitent pas directement autour des étoiles. Au lieu de cela, les planètes et les étoiles gravitent autour de leur centre de masse commun. Si une planète est suffisamment grande, comparée à son étoile, l’étoile vacillera légèrement.

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Cette oscillation produit de minimes changements dans la lumière émise par l’étoile, et les astrophysiciens peuvent analyser ces changements pour déterminer la taille et la distance de la planète ; cette technique est appelée méthode du transit.

Le premier monde découvert par Mayor et Queloz, baptisé 51 Pegasi b, ne ressemble à aucun autre du Système solaire. La planète est vaste et gazeuse, comme Jupiter, mais elle est si proche de son étoile qu’il ne lui faut que quatre jours pour boucler une orbite. Sa température dépasse les 1000 °C.

Quand Queloz a vu pour la première fois la signature de la planète dans ses données : « j’ai paniqué, je pensais que quelque chose n’allait pas avec l’instrument » révèle-t-il. Il a fallu beaucoup de réanalyse aux astronomes pour être convaincus par leurs résultats. Ensuite, ils ont dû convaincre le reste du monde. La planète était si différente de ce que les planétologues avaient prévu de trouver, que de nombreux chercheurs étaient au départ sceptiques quant à cette découverte. Mais des études ultérieures ont finalement prouvé les conclusions des deux chercheurs.

Aujourd’hui, la recherche d’exoplanètes est un domaine d’étude extrêmement actif et en pleine expansion. Plus de 4000 exoplanètes ont déjà été découvertes par les astrophysiciens.

L’année dernière, la NASA a lancé le Transiting Exoplanet Survey Satellite (TESS), un puissant télescope spatial qui balaye tout le ciel à la recherche des mondes entourant les étoiles proches. La mission s’intéresse particulièrement aux mondes rocheux gravitant suffisamment proches de leur étoile pour potentiellement avoir de l’eau liquide à la surface.

Sources : Prix Nobel