Éditorial de l'automne 2025 : "L'Univers impermanent" par Trinh Xuan Thuan

L'Univers impermanent

Trinh Xuan Thuan
Professeur émérite d’astronomie
Université de Virginie
Charlottesville
 
Un des acquis les plus impressionnants de la science moderne est la démonstration du changement perpétuel et omniprésent de toute chose dans la nature. Tout change, tout évolue et tout se transforme. Tout bouge et se modifie. Rien n’est fixe, ni statique. Le bouddhisme désigne ce changement constant par le mot « impermanence ». L’impermanence caractérise le réel, du plus petit atome jusqu’à l’univers tout entier, en passant par les galaxies, les étoiles, les planètes et les hommes.

Mais comment observer l’impermanence de l’univers ? Les échelles de temps cosmiques ne sont pas du même ordre que les échelles de temps humaines. Les étoiles et les galaxies évoluent sur des échelles de temps de millions, voire de milliards d’années, et l’univers sur plus d’une dizaine de milliards d’années, alors qu’une vie humaine se déroule sur une durée d’à peine une centaine d’années ! Pour remédier à cette brièveté de la vie sur Terre, les astronomes ont construit un nouvel observatoire, nommé « Observatoire Vera Rubin », qui devrait entrer en opération à la fin de l’an 2025, et dont la mission principale sera de filmer l’impermanence du cosmos.

L’impermanence du monde

En Occident, le concept de changement et d’impermanence ne fut pas toujours présent. Il a fait son apparition dans la Grèce antique. Ainsi, pour le philosophe Héraclite (v. 544-v. 480 av. J.-C.), l’univers est en perpétuel devenir et tout n’est que mouvement et écoulement, sans commencement ni fin. Mais le concept de non-changement et d’immutabilité joue un rôle non moins important. Le philosophe Parménide (v. 515-v. 440 av. J.-C.) se fait le champion d’une pensée contraire qui prône une philosophie de la permanence, rejetant toute notion de changement et d’évolution. Plus tard, Aristote (384-322 av. J.-C.) incorpore à la fois les idées de changement et de non-changement dans son système cosmogonique. La cosmologie aristotélicienne va prévaloir pendant quelque vingt siècles, jusqu’à la révolution copernicienne en 1543.

Dans le système cosmogonique d’Aristote, l’univers, centré sur la Terre immobile, est divisé en deux parties, l’orbite de la Lune servant de ligne de démarcation. Le non-changement est associé au Ciel, où Dieu réside. Dieu étant parfait et permanent, le Ciel doit l’être aussi. Ce qui veut dire que le monde des planètes (autres que la Terre), celui du Soleil et des étoiles, associés au Ciel, est invariable et éternel, car ce qui est parfait ne peut être amélioré. C’est l’« immutabilité aristotélicienne ». Dans l’univers d’Aristote, tout changement ne peut qu’être associé au monde imparfait de la Terre et de la Lune où règnent la non-perfection, la naissance, l’usure et la mort. Considérons par exemple les comètes, ces spectaculaires objets aux magnifiques queues gazeuses qui, venant des confins du système solaire, visitent sporadiquement sa partie intérieure. Parce qu’elles changent d’apparence au cours du temps, ces comètes doivent être, selon Aristote, le résultat de phénomènes atmosphériques terrestres, tout comme les arcs-en-ciel. Tout objet qui évolue ne peut être associé au Ciel immuable.

Des changements dans le Ciel

Mais, avec les progrès de l’astronomie, le concept aristotélicien de l’immutabilité des cieux fut de plus en plus remis en question. Un des coups les plus décisifs portés aux idées d’Aristote fut asséné au XVIe siècle par l’astronome danois Tycho Brahe (1546-1601), le père de l’astronomie observationnelle moderne. En 1572, une nouvelle étoile apparait dans la constellation de Cassiopée, si brillante qu’elle est visible de jour tout un mois durant. Tycho démontre avec certitude que la nouvelle étoile doit être très distante, bien au-delà des planètes, et donc associée au Ciel. En effet, contrairement aux planètes, elle ne change pas de position par rapport aux étoiles distantes. L’apparition de la nouvelle étoile persuade Tycho que les cieux ont changé, qu’ils ne peuvent être immuables. L’immutabilité aristotélicienne des cieux ne pouvait donc pas être vraie. Nous savons aujourd’hui que la nouvelle étoile n’est autre qu’une supernova, explosion fulgurante marquant la mort d’une étoile massive dans la Voie lactée, à environ 8000 années-lumière de la Terre. La supernova, dans un dernier sursaut d’agonie, libère pendant quelques jours autant d’énergie que des centaines de millions de soleils.

Les observations ont continué à s’accumuler, qui ont jeté de plus en plus de doute sur la perfection et l’immutabilité aristotélicienne des cieux. En particulier, Tycho démontre que la grande comète de 1577 ne peut être un phénomène atmosphérique comme on le pensait. La comète change de position par rapport aux étoiles lointaines, ce qui la place beaucoup plus près de la Terre que la supernova de 1572. Mais ce mouvement est tellement plus petit que celui de la Lune que la comète doit être beaucoup plus distante de la Terre que la Lune : elle doit être quelque part dans la zone des planètes. De nouveau, un nouvel objet est apparu dans le domaine des cieux, violant une fois de plus l’immutabilité aristotélicienne. Les observations et expériences de Galilée contribuèrent puissamment aussi à jeter le doute sur les théories d’Aristote.

Au XVIIe siècle, le physicien anglais Isaac Newton (1642-1727) fait enfin table rase de la distinction aristotélicienne entre Ciel et Terre en introduisant sa théorie de la gravitation universelle. Il démontre que la même loi de gravité dicte aussi bien le mouvement de chute d’une pomme dans un verger que le mouvement des planètes autour du Soleil, ou le mouvement de la Lune autour de la Terre. En d’autres termes, le Ciel est aussi changeant que la Terre. Newton unifie ainsi le Ciel et la Terre. 

Le film de l’impermanence

L’Observatoire Vera Rubin, programmé comme nous le disions pour obtenir des images du ciel à la fin de l’année 2025, est nommé en l’honneur d’une pionnière américaine de la recherche sur la matière noire. C’est elle qui a démontré dans les années 1970 que les étoiles dans les parties extérieures des galaxies spirales se déplacent à grande vitesse, et que sans la gravité exercée par une matière noire invisible autour des galaxies, celles-ci se désagrègeraient en un rien de temps ! Le projet principal de l’Observatoire Rubin est appelé le Legacy Survey of Space and Time (LSST, Étude de l’espace-temps). Il compte parmi les projets d’observation astronomique les plus ambitieux jamais entrepris. Rubin abrite un télescope de 8,4 mètres de diamètre, haut perché sur la montagne Cerro Pachón, dans les Andes chiliennes. Il observera l’intégralité du ciel austral (plus une petite partie du ciel du Nord), tous les 3-4 jours, et ce, pendant dix ans. La caméra numérique utilisée est la plus grande jamais construite en astronomie. Dotée de 3200 Mégapixels, la caméra est capable de capturer une image couvrant une surface de ciel équivalente à 45 fois la pleine Lune en une seule prise (par comparaison, le télescope Hubble couvre 1% de la pleine Lune et le télescope James Webb 75% de la pleine Lune en une seule prise). Ce qui veut dire que l’observatoire Rubin collectera plus de données dans sa première année d’opérations que la somme de toutes celles obtenues par l’ensemble des télescopes jamais construits par l’humanité.

Uniques au monde, ces observations créeront en fin de compte un « film du ciel » qui s’étalera dans le temps sur toute une décennie, traquant l’impermanence des cieux. Le but est de cartographier l’univers non pas de façon statique, mais dynamique : il s’agit non seulement de voir où sont les objets célestes, mais aussi comment ils évoluent au cours du temps. Le LSST permet ainsi de faire de l’astrophysique du « ciel en mouvement ».

L’impermanence de l’univers

Pendant la décennie à venir, l’Observatoire Rubin va se concentrer sur quatre grands domaines scientifiques, chacun visant à répondre à des questions fondamentales de l’astronomie et de la physique. La cosmologie, l’étude de l’univers dans son ensemble, vient en premier lieu. La cosmologie moderne a établi de façon définitive que l’univers et tout son contenu sont en perpétuelle évolution. L’univers n’est pas statique mais en expansion, propulsé par une fantastique déflagration primordiale qui s’est produite à partir d’un état extrêmement petit, chaud et dense, il y a 13,8 milliards d’années, et qu’on appelle « Big Bang ». Tels les raisins incrustés dans un gâteau en train de cuire dans un four qui s’éloignent les uns des autres, entraînés par la pâte qui gonfle, les centaines de milliards de galaxies qui peuplent l’univers observable sont entraînées par le mouvement de dilatation de l’espace. Les astronomes pensaient que cette expansion de l’univers devait décélérer au fil du temps, freinée par la force de gravité attractive exercée par les galaxies les unes sur les autres. Mais vers la fin du siècle dernier, en 1998, un coup de tonnerre vint troubler le ciel serein de la cosmologie : les astronomes découvrirent que l’expansion actuelle de l’univers était non pas en décélération, mais en accélération. Ce qui implique l’existence dans l’univers d’une force anti-gravité qui repousse au lieu d’attirer. 

L’inventaire de l’univers : énergie sombre et matière noire

La relativité générale nous révèle que l’avenir de l’univers est lié à la courbure de son espace. Et cette courbure dépend à son tour du contenu en masse et énergie de l’univers, ou en d’autres termes de sa densité moyenne, puisque c’est la masse qui courbe l’espace. Il existe une densité critique selon laquelle se déterminent différentes courbures possibles pour notre univers. Cette densité critique est extrêmement faible, égale seulement à 10-23 gramme, soit la masse de cinq atomes d’hydrogène, par mètre cube.

Un univers avec une densité supérieure à la densité critique sera « fermé ». Il aura une courbure positive et une expansion qui décélérera de plus en plus dans le futur. Il atteindra un rayon maximum, puis s’effondrera sur lui-même. Cet univers mourra dans un brasier apocalyptique, dans une sorte de Big Bang à l’envers appelé « Big Crunch ». En revanche, un univers « ouvert » aura une densité inférieure à la densité critique, une courbure négative et une expansion éternelle : l’univers continuera à se diluer et à se refroidir de plus en plus, toutes les étoiles s’éteindront et l’univers terminera sa vie dans une obscurité noire et glaciale. Enfin il y a le cas d’un univers plat, avec une densité égale à la densité critique, de courbure nulle, intermédiaire entre un univers fermé et un univers ouvert : son expansion décélérera de plus en plus pour ne s’arrêter qu’après un temps infini dans une température glaciale.  

Pour déterminer la densité moyenne de l’univers, nous devons donc établir son inventaire en masse et énergie. A l’aube du XXIe siècle, voici ce que cet inventaire nous dit : la matière lumineuse, celle que nous voyons briller dans le ciel dans les quelques 200 milliards de galaxies qui peuplent l’univers observable, constitue une minuscule fraction, seulement 0,5% de la densité critique.

Mais les astronomes se sont rendu compte qu’il existe beaucoup plus de matière que nous n’en voyons. La présence de cette « masse noire » est requise, car c’est la gravité qu’elle exerce qui empêche les galaxies et les amas de galaxies de se désagréger. Sans cette attraction, ces majestueuses structures auraient disparu du ciel depuis belle lurette. La matière noire contribue à hauteur de 31,5% de la densité critique.  La nature de cette matière noire reste un profond mystère depuis sa découverte en 1933 par l’astronome Suisse-Américain Fritz Zwicky. Les astrophysiciens ont déterminé que, de ces 31,5%, seuls 4,5% sont faits de la même matière « ordinaire » qui constitue nos corps, les champs de lavande ou les pots de fleur, c’est-à-dire celle faite de protons, de neutrons et d’électrons. Mais la grande majorité de la masse noire (27% de la densité critique) est faite de matière « exotique », dont la nature demeure jusqu’à ce jour totalement inconnue.

Le télescope Rubin pourra contribuer à obtenir plus d’information sur cette matière noire exotique en établissant sa cartographie détaillée. Il le fera en observant comment la lumière des galaxies situées en arrière-plan est déformée par la gravité de celles à l’avant-plan. En effet, la matière noire déforme l’espace-temps, agissant comme une lentille gravitationnelle dite « faible ». Rubin observera ainsi la forme très légèrement déformée de millions de galaxies. En cartographiant ces déformations à grande échelle, les astrophysiciens peuvent reconstruire la distribution de la masse totale, visible et noire, ce qui permet de dresser une carte de la matière noire dans l’univers.

L’observatoire Rubin étudiera aussi la formation et l’évolution des grandes structures, les amas, les filaments et les murs de galaxies en fonction du temps cosmique. En effet, en scrutant les structures célestes, des plus brillantes aux plus faibles, Rubin peut étudier l’univers à travers le temps. En astronomie, voir faible, c’est voir loin, et voir loin, c’est voir tôt, puisque la lumière, bien qu’elle se déplace à la plus grande vitesse possible (300 000 kilomètres par seconde), possède une vitesse de tortue à l’échelle de l’univers et met du temps pour nous parvenir. En comparant ces observations aux modèles cosmologiques, l’astrophysicien peut déduire la quantité et la distribution de matière noire nécessaire pour expliquer ces structures.

L’impermanence des étoiles

Toutes les structures de l’univers – hommes, planètes, étoiles, galaxies et amas de galaxies – possèdent aussi une histoire. Elles aussi naissent, évoluent et meurent. Ainsi, les étoiles suivent des cycles de vie et de mort qui se mesurent en millions, voire en milliards d’années. Notre astre le Soleil a vu le jour il y a 4,5 milliards d’années. Il mourra dans 5 milliards d’années pour devenir une naine blanche (de la taille de la Terre et dont une cuillerée pèserait autant qu’un éléphant) quand il aura épuisé sa réserve de carburant d’hydrogène. Quant aux étoiles plus massives que 1,4 fois la masse du Soleil, elles termineront leurs vies dans de fantastiques déflagrations appelées « supernovæ », laissant derrière elles des cadavres stellaires, tels les « pulsars », des étoiles à neutrons de 10 kilomètres de rayon (la taille de Paris) qui peuvent tourner sur elles-mêmes en une fraction de seconde, ou les « trous noirs », ces lieux d’extrême gravité dans l’espace qui emprisonnent la lumière.

Des phénomènes transitoires

Un phénomène transitoire est un bref événement céleste qui, pendant quelques secondes à quelques jours, modifie soudainement l'apparence du ciel. Des exemples de phénomènes transitoires sont des événements liés à la mort d’étoiles massives comme les supernovæ, ou d’autres événements comme des novæ, des éruptions stellaires, des fusions d’étoiles à neutrons (encore appelées kilonovae), des sursauts gamma ou des variations soudaines de luminosité d’objets actifs comme les quasars (on pense que la luminosité du quasar croît quand le trou noir supermassif en son cœur dévore des étoiles).

Rubin détecte ces phénomènes transitoires par une imagerie rapide et répétée. Il prend des images du ciel toutes les 15 à 30 secondes, et revisite un même champ en quelques (3-4) jours, voire quelques heures. Cela permet de comparer les images dans le temps et de détecter tout changement.

Son champ de vision est très large (9,6 degrés carrés), ce qui fait qu’il collecte environ 20 téraoctets de données par nuit. Le traitement des données est automatisé : le pipeline informatique du LSST effectue une soustraction d’image : une image de référence (l’image précédente) est soustraite de la nouvelle image. Si quelque chose a changé, un événement transitoire est détecté. Un système d’alerte rapide (dans les 60 secondes) est déclenché, envoyant des alertes aux astronomes et aux observatoires du monde entier pour des observations complémentaires avec d’autres instruments et techniques.

La classification automatique de ces événements transitoires est faite avec l'Intelligence Artificielle (IA). Des algorithmes d’IA et de machine-learning analysent les caractéristiques de l’événement (forme, lumière, durée) pour aider à la classification automatique : est-ce une supernova, une étoile variable, un noyau actif ou quelque chose d’autre ? Les données seront publiques, avec des outils informatiques pour aider les scientifiques et le public à les consulter. Les écoles, amateurs et citoyens pourront participer au LSST via des projets de science participative.

Parmi les supernovæ, celles dites de Type Ia sont particulièrement intéressantes. Elles sont très lumineuses et peuvent être détectées à de très grandes distances. On s’attend à découvrir quelques milliers de SNe de type Ia en une décennie. Les astronomes les utiliseront comme balises pour mesurer les distances des galaxies lointaines. Ce faisant, ils pourront étudier l’accélération de l’univers et donc comment l’énergie sombre varie en fonction du temps, avec une précision inégalée. 

La Voie lactée et l’archéologie galactique

Rubin va bouleverser l’étude de l’archéologie galactique. Il va créer une carte en 3D extrêmement précise de la Voie lactée avec les observations de milliards d’étoiles. Il va retracer l’histoire de la formation et de l’évolution de la Voie lactée à partir des étoiles, des amas et structures stellaires qu’on y observe aujourd’hui – comme un archéologue reconstruit une civilisation disparue à partir de ses vestiges. Rubin va étudier les fusions passées de la Voie lactée avec d'autres galaxies, avec des populations stellaires anciennes et comprendre comment le halo galactique, le bulbe et le disque de notre Galaxie se sont formés. L’observatoire permettra d’observer des « courants stellaires » – des « rivières » d’étoiles issues de galaxies naines ou d’amas globulaires « déchirées » gravitationnellement. Rubin détectera les étoiles les moins lumineuses (comme les géantes rouges et les naines blanches) et les étoiles variables (comme les céphéides). Il identifiera des dizaines de nouveaux amas globulaires ou des dizaines de nouvelles galaxies satellites naines très peu lumineuses, permettant de tester directement les modèles de formation et d’évolution galactique.

L’impermanence des planètes 

Rubin va révolutionner notre inventaire du Système solaire grâce à sa vaste couverture du ciel, sa cadence d’observation extrêmement rapide, et sa sensibilité inégalée. Il pourra découvrir des millions d’astéroïdes, de comètes (aussi des comètes interstellaires comme ‘Oumuamua’), et d’objets lointains comme ceux de la ceinture de Kuiper, aux confins du Système solaire. Il va repérer des objets géocroiseurs (Near-Earth Objects, NEO) potentiellement dangereux dont les orbites peuvent les amener à des collisions catastrophiques avec la Terre. Il participera ainsi à la mission de défense de notre planète.

Rubin fera ce qu’on appelle un "recensement dynamique" de tous les objets en mouvement dans notre voisinage céleste. Pour découvrir les objets en mouvement, Rubin prendra une image du ciel toutes les 15 à 30 secondes, permettant de détecter les objets mobiles (ceux qui se déplacent entre les images), comme les astéroïdes de la ceinture principale, les objets transneptuniens (TNOs) ou les comètes. Il multipliera par un facteur pouvant varier de 10 à 100 le nombre de tels objets connus aujourd’hui. Rubin pourrait même découvrir de nouvelles planètes, comme l’hypothétique Planète 9, si de tels objets existent.

Pour résumer, Rubin est à l’aube d’une nouvelle révolution astronomique. Alliant optique de pointe, intelligence artificielle, cadence d’observation rapide et gigantesques caméras digitales, il promet des avancées majeures en cosmologie (matière noire, énergie noire), archéologie galactique, astrophysique stellaire et étude du Système solaire.

L’impermanence bouddhiste

Nous avons discuté jusqu’ici du concept de l’impermanence vu à travers le prisme de la science. Examinons maintenant ce concept à travers celui de la spiritualité. L'impermanence des phénomènes physiques est un concept central dans plusieurs traditions philosophiques et spirituelles en Orient, notamment le bouddhisme.

Dans le bouddhisme, l'impermanence (anitya en sanskrit) est l'une des trois caractéristiques fondamentales de l'existence, aux côtés de la souffrance (dukkha) et de l'absence de soi (anatta). Comme en astrophysique, l’impermanence bouddhiste exprime le fait que tout dans l'univers est en perpétuel changement, et qu'aucun phénomène, qu'il soit solide ou fluide, ne peut durer de façon permanente. L’impermanence caractérise aussi nos pensées qui apparaissent puis disparaissent, et nos émotions qui ne cessent de fluctuer.

Dans son analyse de l’impermanence, le but ultime du bouddhisme est tout à fait distinct de celui de la physique ou de l’astrophysique. La science cherche à déterminer les propriétés physiques des phénomènes du monde – par exemple la nature de la masse noire ou de l’énergie sombre – ou à comprendre comment les choses sont impermanentes et varient avec le temps, par exemple comment se forment et évoluent les planètes, les étoiles ou les galaxies. Mais la science s’arrête là.

Dans son analyse du réel, le bouddhisme poursuit d’autres visées, puisque son but est plutôt thérapeutique : diminuer la souffrance humaine. En mettant en évidence l’impermanence du monde, Il vise à briser la vision illusoire de solidité et de permanence que présentent les choses, méprise qui peut être cause d’attachement et de plaisir, mais aussi être source de souffrance. En voulant rendre permanent ce qui ne peut pas l'être, comme la jeunesse, la beauté ou la richesse, nous créons de la souffrance pour nous-mêmes.

Les pratiques de la méditation bouddhiste visent donc à observer directement cette impermanence. En observant les pensées, les sensations corporelles et les émotions qui apparaissent et disparaissent, le contemplatif en vient à mieux comprendre le caractère transitoire de la réalité. Cette réalisation permet de lâcher prise, de réduire les attachements, de développer la compassion, et en fin de compte de diminuer la souffrance pour soi et les autres.
 
 
Charlottesville, le 10 Aout 2025

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