Trois des quatre forces fondamentales de la nature sont décrites par la mécanique quantique avec une précision redoutable. La gravité quant à elle semble obéir à des règles différentes et incompatibles. La physique est ainsi aujourd'hui séparée en deux grandes théories qui décrivent bien le monde dans leurs domaines respectifs mais ne peuvent par principe en saisir l'ensemble.

Face à cette situation désagréable, les physiciens ont cherché depuis presque 50 à quantifier (c'est à dire à rendre quantique) la force gravitationnelle. Théorie des cordes et gravité quantique à boucle sont des exemples de telles tentatives. Face à la difficulté de ces entreprises et en l'absence de résultats expérimentaux, une alternative écartée il y a 50 ans est de nouveau considérée : et si la gravité était tout simplement différente ? Dans ce second cas, il faudrait malgré tout comprendre comment recoller les morceaux d'une gravité non quantique et d'une matière qui l'est. Cette tâche a longtemps semblé théoriquement impossible.

Notre objectif sera de comprendre les arguments en jeu, de voir comment ils peuvent être contournés théoriquement et les modèles obtenus finalement testés. Finalement, on cherchera à savoir si l'option d'une gravité fondamentalement non quantique est envisageable.

Résumé à venir

Depuis les travaux d’Einstein sur la relativité générale au début du XXe siècle, nous savons que l’Univers ne peut pas être statique. L’espace est en expansion ou en contraction.
L’observation montre que les galaxies s’éloignent toutes les unes des autres avec une vitesse proportionnelle à leur distance, c’est la loi d’expansion de Hubble-Lemaitre.
De nombreuses observations n’ont fait que confirmer la théorie du « Big Bang », où l’Univers commence dans un état extrêmement chaud et concentré : la nucléosynthèse primordiale des éléments légers comme l’hélium ou le deutérium, la détection du fond cosmique micro-onde, corps  noir à 3°Kelvin, la découverte d’infimes fluctuations de densité dans ce fonds micro-onde,
400 000 ans après le Big-Bang, qui vont donner naissance aux galaxies. Depuis 1998, nous savons que l’expansion de l’Univers s’accélère, à cause d’une mystérieuse énergie noire.
Les grandes structures de l’Univers proviennent-elles des fluctuations quantiques du vide, rendues macroscopiques grâce à l’inflation originelle ?

Les interactions fondamentales que les physiciens ont comprises jusqu'au XXe siècle reposent sur la notion de champs de jauge. Initialement élaboré par H. Weyl comme une extension particulière de la Relativité Générale, ce cadre théorique nouveau a trouvé sa place en mécanique quantique puis en théorie des champs. Il a permis de modéliser et de réunir dans un même cadre conceptuel, au sein du modèle standard des particules élémentaires, toutes les interactions fondamentales connues à ce jour. L'exposé se propose de retracer l'évolution de cette idée et de montrer comment elle a changé notre concept de « forces à distance » en la notion d'« interactions entre particules ». Nous aborderons ainsi les principes sous-jacent à cette démarche, fondés sur la notion de symétrie, les avantages de cette approche, les problèmes soulevés, et les diverses formulations mathématiques, qui font l'objet de recherches actuelles.

John Goodenough, Stanley Whittingham et Akira Yoshino sont les récipiendaires du Prix Nobel 2019 en Chimie pour le développement des batteries lithium-ions. Dans la justification du prix par le comité Nobel, il est noté que ces chercheurs « ont créé les bonnes conditions pour une société sans fils et sans combustibles fossiles et ont ainsi apporté le plus grand bénéfice à l’humanité ».

Dans cette présentation, nous présenterons le fonctionnement des batteries électrochimiques, l’historique de leur développement, les principales applications (ordinateurs et téléphones portables, véhicules électriques, mais aussi stockage d’énergie solaire ou éolienne) et enfin les problèmes à résoudre ainsi que quelques recherches en cours.

Inscriptions : https://www.cppm.in2p3.fr/confCPPM.php

L’Event Horizon Telescope a fourni en avril 2019 la première image télescopique du trou noir supermassif M87* à une résolution comparable à celle de son horizon des événements, confirmant de façon spectaculaire les modélisations théoriques. Bien avant cette réalisation remarquable rendue possible par l’interférométrie radio à très longue base, de nombreux chercheurs avaient en effet utilisé l'ordinateur pour reconstruire l'apparence d'un trou noir entouré de matériaux lumineux à partir de vues rapprochées. Les images subissent des déformations optiques extraordinaires dues à la déviation des rayons lumineux produite par la forte courbure de l'espace-temps. La relativité générale permet de calculer de tels effets, à la fois sur un disque d’accrétion environnant et sur le champ d’étoiles en arrière-plan. Elle permet aussi de reconstruire pas à pas les paysages vus par un observateur plongeant dans un trou noir.

Crédit de l'illustration : JPLuminet / EHT

Appliquant un principe Copernicien, on peut penser que la vie, y compris intelligente, est très répandue dans l’Univers. Ainsi, de nombreuses civilisations technologiques ont pu émerger bien avant la nôtre et donc disposer de tout le temps nécessaire pour explorer et même coloniser la Galaxie. Se présente alors le paradoxe posé par le grand physicien E. Fermi dès 1950 : « Où sont-elles ? ». C’est un sujet qui peut paraître amusant mais qui peut être pris très au sérieux (ou bien un sujet sérieux que l’on peut trouver amusant d’aborder). Le but de cette conférence est d’essayer de faire le point sur cette question qui est en fait très complexe, à partir de la vaste littérature sur le sujet. Celle-ci s’est enrichie récemment à la suite des dernières découvertes sur les exoplanètes, les travaux en exobiologie, l’histoire de la Galaxie, etc. On verra que, si certaines solutions au paradoxe sont assez simples (et frustrantes), d’autres nous interpellent quant à l’avenir d’Homo Sapiens.

Depuis le début du siècle dernier, l’astronomie s’est considérablement enrichie en étendant la gamme en longueur d’onde aux ondes radio et aux rayons X et gamma à haute énergie. Depuis une dizaine d’années, nous assistons à une révolution dans notre façon de faire de l’astronomie en ajoutant les ondes gravitationnelles, les neutrinos et les rayons cosmiques. Ces messagers sont les signaux des quatre grandes forces qui régissent notre Univers : les rayonnements électromagnétiques, les ondes gravitationnelles, les neutrinos et les rayons cosmiques (e.g. les protons et les noyaux). Lors d’événements cataclysmiques dans l’Univers (l’explosion d’une étoile massive en fin de vie, une fusion d’étoiles à neutrons ou de trous noirs, etc.), une quantité gigantesque d’énergie est émise dans ces différents messagers. Chaque messager amène une partie de l’information comme dans un puzzle. La détection simultanée de ces messagers permet d'acquérir différentes informations sur les sources et ainsi de compléter ce puzzle géant.

Cette astronomie multi-messagers est encore à son balbutiement mais les premiers résultats sont extraordinaires. En août 2017, les interféromètres LIGO et Virgo ont détecté une onde gravitationnelle, GW170817, provenant d’une fusion de deux étoiles à neutron dans la galaxie NGC 4993. Une contrepartie électromagnétique a été détectée 1,7 secondes après en rayon X-gamma par les satellites INTEGRAL et Fermi puis 11 heures après par des télescopes optiques au sol. Rapidement, cet événement est devenu une des sources transitoires la plus étudiée à ce jour. Toujours pendant l’été 2017, IceCube, un télescope à neutrino géant, a annoncé la détection d’un signal de neutrinos de haute énergie en provenance d’un noyau actif de galaxie, TXS 0506+056. Juste après, cette source a aussi été vue en rayons gamma au-dessus de 100 MeV par le Fermi-LAT et au-dessus de 100 GeV par le télescope Cherenkov MAGIC. Ces deux premiers exemples nous montrent clairement la voie à suivre pour développer l’astronomie du futur qui nécessite une collaboration mondiale de tous les chercheurs en astronomie reliés en temps réel quelque soit l’endroit sur Terre.

Illustrations : An artist’s impression of a blazar. Image credit: DESY / Science Communication Lab.

La mission spatiale européenne Gaia observe depuis 2014 plus d'un milliard d'étoiles de la Voie lactée et mesure leurs positions, distances, mouvements et propriétés physiques avec une précision inégalée. Gaia apporte ainsi une moisson inédite d’informations sur notre Galaxie, permettant une étude détaillée de sa structure en trois dimensions, de sa cinématique, de son origine et de son évolution. Je présenterai comment Gaia nous fourni ces données et comment elles sont en train de révolutionner nos connaissances de la Voie lactée.

Crédit de l'illustration : ESA/Gaia/DPAC, CC BY-SA 3.0 IGO