Dès les années 1930, l’astronome suisse Fritz Zwicky, en étudiant les galaxies, s’est trouvé confronté à un problème : les mesures de la vitesse des étoiles dans leur rotation autour du cœur des galaxies laissaient supposer qu’il y avait là plus de matière que n’en montraient les étoiles visibles. Les observations reprises aujourd’hui ont confirmé qu’il ne s’agissait pas d’une erreur des instruments d’époque, plus imprécis que les nôtres. Cette matière invisible a reçu le doux nom de "matière noire", mais il reste à expliquer ce que c’est et ce qu’elle fait là. Si l’on en tient compte à l’échelle de l’univers, tout fonctionne bien, les équations ronronnent, on retrouve le fond diffus cosmologique, ce rayonnement issu du Big Bang, et l’évolution des grandes structures comme les amas de galaxies. A plus petite échelle, celle d’une galaxie, autour de 100 000 années-lumière, les choses commencent à se gâter. Les calculs et l’observation ne coïncident plus ou, du moins, pas assez. Alors, matière noire ou pas ? Et sinon, qu’est-ce qui explique les anomalies de la rotation des étoiles autour du centre des galaxies ?

Origine de la vie: la pièce manquante détectée dans une "comète artificielle"
Pour la première fois, des chercheurs montrent que le ribose, un sucre à la base du matériel génétique des organismes vivants, a pu se former dans les glaces cométaires. Pour parvenir à ce résultat, des scientifiques de l'Institut de chimie de Nice (CNRS/Université Nice Sophia Antipolis) ont analysé très précisément une comète artificielle créée par leurs collègues de l'Institut d'astrophysique spatiale (CNRS/Université Paris-Sud). Ils présentent ainsi, en collaboration avec d'autres équipes dont une du synchrotron SOLEIL, le premier scénario réaliste de formation de ce composé essentiel, encore jamais détecté dans des météorites ou dans des glaces cométaires. Étape importante dans la compréhension de l'émergence de la vie sur Terre, ces résultats sont publiés dans la revue Science le 8 avril 2016.
Le traitement ultraviolet des glaces pré-cométaires (à gauche) reproduit l'évolution naturelle des glaces interstellaires observées dans un nuage moléculaire (à droite, les piliers de la création), conduisant à la formation de molécules de sucre.Image de gauche © Louis Le Sergeant d'Hendecourt (CNRS).Image de droite © NASA, ESA, and the Hubble Heritage Team (STScI/AURA)
Tous les organismes vivants sur Terre, ainsi que les virus, ont un patrimoine génétique fait d'acides nucléiques - ADN ou ARN. L'ARN, considéré comme plus primitif, aurait été l'une des premières molécules caractéristiques de la vie à apparaitre sur Terre. Les scientifiques s'interrogent depuis longtemps sur l'origine de ces molécules biologiques. Selon certains, la Terre aurait été "ensemencée" par des comètes ou astéroïdes contenant les briques de base nécessaires à leur construction. Et effectivement, plusieurs acides aminés (constituants des protéines) et bases azotées (l'un des constituants des acides nucléiques) ont déjà été trouvés dans des météorites, ainsi que dans des comètes artificielles, reproduites en laboratoire. Mais le ribose, l'autre constituant-clé de l'ARN, n'avait encore jamais été détecté dans du matériel extraterrestre, ni produit en laboratoire dans des conditions "astrophysiques". En simulant l'évolution de la glace interstellaire composant les comètes, des équipes de recherche françaises ont réussi à former du ribose - étape importante pour comprendre l'origine de l'ARN et donc les origines de la vie.
Le ribose (et des molécules de sucres apparentées, comme l'arabinose, le lyxose et le xylose) ont été détectés dans des analogues de glaces pré-cométaires grâce à la chromatographie multidimensionnelle en phase gazeuse. Le ribose forme le "squelette" de l'acide ribonucléique (ARN), considéré comme le matériel génétique des premiers organismes vivants.© Cornelia Meinert (CNRS)
Dans un premier temps, une "comète artificielle" a été produite à l'Institut d'astrophysique spatiale: en plaçant dans une chambre à vide et à ? 200 °C un mélange représentatif d'eau (H2O), de méthanol (CH3OH) et d'ammoniac (NH3), les astrophysiciens ont simulé la formation de grains de poussières enrobés de glaces, la matière première des comètes. Ce matériau a été irradié par des UV - comme dans les nébuleuses où se forment ces grains. Puis, l'échantillon a été porté à température ambiante - comme lorsque les comètes s'approchent du Soleil. Sa composition a ensuite été analysée à l'Institut de chimie de Nice grâce à l'optimisation d'une technique très sensible et très précise (la chromatographie multidimensionnelle en phase gazeuse, couplée à la spectrométrie de masse à temps de vol). Plusieurs sucres ont été détectés, parmi lesquels le ribose. Leur diversité et leurs abondances relatives suggèrent qu'ils ont été formés à partir de formaldéhyde (une molécule présente dans l'espace et sur les comètes, qui se forme en grande quantité à partir de méthanol et d'eau).
Le ribose se forme dans le manteau de glace des grains de poussière, à partir de molécules précurseurs simples (eau, méthanol et ammoniac) et sous l'effet de radiations intenses.© Cornelia Meinert (CNRS) & Andy Christie (Slimfilms.com)
S'il reste à confirmer l'existence de ribose dans les comètes réelles, cette découverte complète la liste des "briques moléculaires" de la vie qui peuvent être formées dans la glace interstellaire. Elle apporte un argument supplémentaire à la théorie des comètes comme source de molécules organiques qui ont rendu la vie possible sur Terre... et peut-être ailleurs dans l'Univers.
Ces travaux ont bénéficié du soutien financier de l'Agence nationale de la recherche et du CNES.

Des astronomes font une découverte importante sur la matière noire 

Des astronomes ont récemment fait une découverte majeure en observant une collision spectaculaire entre deux amas de galaxies. Cela a permis de dévoiler la présence de la matière noire, une substance invisible qui constitue une grande partie de l’univers. Grâce à cette observation, nous avons un aperçu précieux sur la manière dont cette substance mystérieuse interagit avec la matière ordinaire afin de comprendre davantage son rôle dans la structure de notre cosmos.

Comprendre la matière noire

La matière noire est une forme de matière qui, contrairement à la matière normale, n’émet ni ne reflète de lumière. Cela la rend invisible pour nos instruments de détection traditionnels. Cependant, sa présence est connue grâce à son effet gravitationnel sur les objets visibles comme les étoiles et les galaxies. En effet, les scientifiques ont découvert que la matière noire exerce une force gravitationnelle suffisante pour influencer la manière dont les galaxies se forment et se comportent. Sans elle, les galaxies se disperseraient et ne formeraient pas les grandes structures que nous observons aujourd’hui.

Selon les estimations, nous savons également désormais que la matière noire constitue environ 85 % de la matière totale de l’Univers et 27 % de sa masse-énergie totale. Toutefois, la nature de cette mystérieuse forme de matière demeure insaisissable. Ainsi, toute observation est bonne à prendre pour tenter de la comprendre.

Une collision galactique spectaculaire

Des astronomes ont observé une collision entre deux amas de galaxies, appelés MACS J0018.5+1626. Ces amas sont situés à environ cinq milliards d’années-lumière de la Terre. Pour mettre cela en perspective, cela signifie que la lumière de ces amas a voyagé pendant cinq milliards d’années avant de nous atteindre.

Pour étudier cet événement, les scientifiques ont utilisé une variété de télescopes et d’observatoires. Parmi eux se trouvent les télescopes spatiaux Hubble et Chandra de la NASA, ainsi que d’autres instruments comme l’observatoire submillimétrique de Caltech, l’observatoire WM Keck et l’observatoire Planck. Ces outils ont fourni des données cruciales en capturant des images et en mesurant les émissions de lumière et de gaz.

Les données ont été collectées sur plusieurs années et ont nécessité une analyse complexe. Les astronomes ont examiné les changements dans la lumière provenant des étoiles et le comportement du gaz chaud pour déterminer comment la matière noire se déplace et interagit lors de telles collisions. Ils ont utilisé des phénomènes comme l’effet Sunyaev-Zel’dovich (SZ), qui mesure les décalages de la lumière cosmique causés par le gaz chaud en mouvement, pour évaluer la vitesse et la direction du mouvement des différents types de matière.

Un comportement surprenant

Les chercheurs ont observé que malgré la violence de la collision entre les amas de galaxies, les galaxies individuelles elles-mêmes sont restées relativement intactes. Ce phénomène peut être expliqué par l’immensité de l’espace entre les galaxies qui est suffisamment vaste pour qu’elles ne se percutent pas directement, même lors de telles collisions cosmiques. En revanche, les débris générés par la collision, tels que le gaz chaud et la matière normale, ont été fortement perturbés par l’impact. Le gaz, chauffé à des températures extrêmes, a été éjecté et dispersé, et les structures de matière normale ont été déformées par la force de la collision.

Ce qui rend cette observation particulièrement fascinante, c’est le comportement de la matière noire durant l’événement. Contrairement à la matière normale, la matière noire semble en effet avoir traversé les débris de la collision presque sans être affectée. Cette invisibilité en situation de collision est analogue à celle d’un fantôme traversant des objets physiques sans interagir avec eux. Ce phénomène est crucial, car il démontre que la matière noire n’interagit pas avec la matière normale de la même manière. Elle semble en effet ne pas subir les forces de friction et de pression qui affectent les particules classiques, ce qui lui permet de se déplacer indépendamment des perturbations causées par la collision.

Cette découverte ouvre de nouvelles perspectives pour l’étude de cette substance. En comprenant mieux comment elle se comporte dans des situations extrêmes, les scientifiques espèrent en effet pouvoir dévoiler davantage de ses propriétés mystérieuses. Cette connaissance pourrait également nous aider à comprendre comment les grandes structures de l’Univers, comme les galaxies et les amas de galaxies, se sont formées et ont évolué.

Les chercheurs espèrent que cette collision cosmique unique offrira également des indices sur la nature de la matière noire elle-même. En analysant en détail comment elle se comporte différemment de la matière normale lors d’événements aussi violents, les scientifiques peuvent affiner leurs modèles et simulations de l’univers. Cela pourrait éventuellement conduire à la découverte de nouvelles particules ou forces qui permettraient de mieux expliquer cette matière invisible. À terme, cette avancée pourrait révolutionner notre compréhension de l’univers et répondre à certaines des questions les plus fondamentales de la cosmologie moderne. 

 

La découverte d’un lien entre les trous noirs et la matière noire pourrait résoudre le " problème du parsec final "

 Les trous noirs sont considérés comme les objets astrophysiques les plus captivants. Plusieurs hypothèses ont été avancées concernant leur formation, notamment en ce qui concerne les trous noirs supermassifs (SMBH). Récemment, en adoptant une nouvelle approche, des chercheurs canadiens ont identifié un lien entre les trous noirs supermassifs et les particules de matière noire. Dans une nouvelle étude, ils suggèrent que la fusion de SMBH donnant lieu à un seul trou noir plus massif est influencée par le comportement des particules de matière noire. Cette découverte, selon eux, pourrait contribuer à résoudre le " problème du parsec final ".

Dans une étreinte gravitationnelle, les trous noirs supermassifs gravitent lentement les uns vers les autres. Selon les astronomes, leur rapprochement progressif devrait causer une émission d’ondulation dans la structure de l’espace-temps détectable depuis la Terre. C’est d’ailleurs ce que la communauté scientifique a avancé en 2023, lorsqu’un " bourdonnement " persistant d’ondes gravitationnelles raisonnant à travers l’Univers a été détecté. D’après les chercheurs, ce signal, aussi appelé " murmure de l’Univers ", pourrait être dû à la fusion de millions de trous noirs supermassifs, sur des milliards d’années.

Cependant, des simulations ont montré que lorsque des paires de SMBH se rapprochent dans un mouvement de spirale, leur approche s’arrête lorsqu’ils sont séparés d’environ un parsec (environ trois années-lumière), comme s’ils se répulsaient, empêchant ainsi la fusion. C’est ce résultat qui a donné son nom au " problème du parsec final ".

Récemment, une équipe de recherche de l’Université de Toronto et de l’Université McGill, dirigée par Gonzalo Alonso-Álvarez, semble avoir trouvé la solution dans le cadre d’une nouvelle étude publiée dans la revue Physical Review Letters. D’après eux, la clé réside dans l’inclusion de la matière noire, qui a longtemps été sous-estimée dans le cadre de ce processus. " Nous montrons que l’inclusion de l’effet de la matière noire, jusqu’alors négligé, peut aider les trous noirs supermassifs à surmonter ce parsec final de séparation et à fusionner. Nos calculs montrent comment cela peut se produire, contrairement à ce que l’on pensait jusqu’ici ", explique Alonso-Álvarez dans un communiqué de l’Université de Toronto.

Et si la matière noire n’était pas une substance passive et sans interaction ?

L’une des substances les plus mystérieuses de l’Univers est sans doute la matière noire (elle constituerait environ 85 % de la matière dans le cosmos). Bien qu’elle ne soit pas visible, elle témoigne de sa présence par le biais de ses effets gravitationnels sur la matière visible. Longtemps, les scientifiques ont pensé que cette matière était à la fois passive et sans interaction. Toutefois, ce n’est peut-être pas le cas. Alonso-Álvarez et son équipe suggèrent que si les particules de matière noire disposaient d’une propriété d’auto-interaction, cela génèrerait une impulsion supplémentaire pour " rassembler " les SMBH. Cette " matière noire auto-interactive " agirait par la suite comme une sorte de " colle " cosmique, permettant aux trous noirs de fusionner.

Mais la véritable question est de savoir, dans ce cas, comment cela est possible. Lorsque deux galaxies entrent en collision, leurs trous noirs centraux orbitent l’un autour de l’autre vers l’intérieur, en raison des interactions gravitationnelles avec les étoiles à proximité. Ils traversent ensuite un " pic " de concentration (très dense) de matière noire. Si cette matière noire n’interagit pas, ce pic est perturbé par le mouvement des trous noirs. En revanche, les particules de matière noire peuvent maintenir et stabiliser la structure du pic, à condition de " rebondir " les unes sur les autres.

" La possibilité que les particules de matière noire interagissent les unes avec les autres est une hypothèse que nous avons formulée, un ingrédient supplémentaire que tous les modèles de matière noire ne contiennent pas ", a déclaré Alonso-Alvarez. Il avance que leur argument réside sur le fait que " seuls les modèles contenant cet ingrédient peuvent résoudre le problème final du Parsec ".

Cette solution résout ainsi potentiellement le mystère cosmique détecté par le Pulsar Timing Array en 2023, ainsi que le problème du parsec final. D’après les chercheurs, même si la forme de ce signal d’ondes gravitationnelles ne correspond pas parfaitement à ce que l’on attend de modèles standard, leur modèle de matière noire en auto-interaction peut produire un spectre d’ondes gravitationnelles plus adapté à ces observations.

James Cline, co-auteur de l’étude, de l’Université McGill et du CERN, explique : " Une prédiction de notre proposition est que le spectre des ondes gravitationnelles observées par les réseaux de synchronisation de pulsars devrait être adouci aux basses fréquences. Les données actuelles suggèrent déjà ce comportement, et de nouvelles données pourraient le confirmer dans les prochaines années ".

L’étude d’Alonso-Alvarez et de ses collègues met en exergue le potentiel des ondes gravitationnelles dans le sondage de la nature de la matière noire. En revanche, des travaux supplémentaires devront être réalisés pour confirmer cette possibilité. " Notre travail est une nouvelle façon de nous aider à comprendre la nature particulaire de la matière noire ", a déclaré Alonso-Álvarez. " Nous avons découvert que l’évolution des orbites des trous noirs est très sensible à la microphysique de la matière noire, ce qui signifie que nous pouvons utiliser les observations de fusions de trous noirs supermassifs pour mieux comprendre ces particules ", conclut-il.



 

Pourquoi les particules qui collisionnent révèlent la réalité 

Une grande partie de ce que les physiciens savent des lois fondamentales de la nature vient de la construction de machines destinées à écraser les particules entre elles.

Les physiciens ont commencé à développer des collisionneurs de particules à la suite de révélations selon lesquelles l’univers ne se résume pas à des atomes. Ernest Rutherford a perçu l'intérieur de l'atome lors de l'une des premières expériences de proto-collisionneur en 1909. Lui et son élève ont placé une matière radioactive derrière un bouclier en plomb percé d'un trou, de sorte qu'un flux de particules alpha (maintenant connues sous le nom de noyaux d'hélium) ) puisse passer à travers le trou. Lorsqu’ils ont projeté ce faisceau de particules sur une fine feuille d’or, ils ont observé qu’une particule sur 20 000 rebondissait directement vers l’arrière. Rutherford l'a comparé à un obus d'artillerie qui se refléterait sur une feuille de papier de soie. Les physiciens avaient découvert que les atomes d'or étaient pour la plupart constitués d'espace vide, mais que les particules alpha se dispersaient occasionnellement hors des noyaux denses et chargés positivement des atomes.

Deux des étudiants de Rutherford, John Cockcroft et Ernest Walton, ont ensuite assemblé et exploité le premier véritable collisionneur de particules en 1932. Ils ont utilisé un champ électrique pour accélérer les protons et les transformer en atomes de lithium avec suffisamment d'énergie pour briser les atomes de lithium en deux, divisant l'atome pour la première fois.

Au cours des décennies suivantes, les physiciens ont construit un défilé de collisionneurs de particules de plus en plus performants. Ils ont augmenté la densité des particules du projectile, ajouté des aimants supraconducteurs pour mieux les diriger et se sont offert plus de pistes en concevant des collisionneurs circulaires. Pour produire des feux d’artifice plus violents, ils ont brisé des faisceaux de particules circulant dans des directions opposées.

De nombreuses innovations technologiques visaient à produire des collisions à plus haute énergie pour générer des variétés de particules plus riches. Toute la matière que vous avez vue ou touchée est composée de seulement trois particules légères et fondamentales : des électrons et deux types de quarks. La nature laisse aussi entrevoir l'existence de plus d'une douzaine de particules élémentaires plus lourdes, mais seulement pour un instant, avant qu'elles ne se transforment en particules légères et stables. Pour savoir quelles particules massives peuvent exister, les physiciens exploitent l'interchangeabilité de la matière et de l'énergie découverte par Albert Einstein, exprimée dans sa célèbre équation E = mc 2. En générant des collisions plus énergétiques, ils virent émerger des particules plus lourdes.

Une autre façon de voir les choses est que les collisions à haute énergie s’enfoncent plus profondément dans le monde subatomique. Toutes les particules quantiques ont des propriétés ondulatoires, telles que les longueurs d'onde. Et leurs longueurs d’onde déterminent ce avec quoi ils peuvent interagir. Les ondes sonores peuvent contourner les murs parce qu'elles mesurent des mètres en longueur, par exemple, tandis que les ondes lumineuses sont arrêtées par tout ce qui est plus grand que leur longueur d'onde de quelques centaines de nanomètres. Les ondes incroyablement minuscules impliquées dans les collisions à haute énergie sont sensibles à des obstacles quantiques tout aussi minuscules. De cette manière, les énergies plus élevées permettent aux physiciens d’explorer les règles de la réalité à des échelles de plus en plus petites.

Suivant l’exemple de Rutherford et de ses étudiants, les chercheurs ont continué leurs explorations à un rythme effréné. L'énergie des collisions de particules a augmenté de 10 fois tous les six à huit ans pendant la majeure partie d'un siècle, ce qui correspond presque au rythme de la loi de Moore pour les puces informatiques. Ces progrès ont culminé avec la construction du Grand collisionneur de hadrons (LHC) en Europe, une piste souterraine circulaire de 27 kilomètres de circonférence qui écrase des protons à des énergies environ 20 millions de fois supérieures à celles utilisées par Cockcroft et Walton pour diviser l'atome. C’est au LHC en 2012 que les physiciens ont découvert le boson de Higgs, une particule lourde qui donne de la masse à d’autres particules fondamentales. Le Higgs était la dernière pièce manquante du modèle standard de la physique des particules, un ensemble d'équations qui rend compte de toutes les particules élémentaires connues et de leurs interactions. 

Quoi de neuf et remarquable

Le LHC, qui a entamé une nouvelle période d'exploitation de six mois en avril, a consolidé le modèle standard avec la découverte du boson de Higgs. Mais ce qui n'a pas été découvert a laissé le domaine en crise. Pendant des décennies, de nombreux théoriciens des particules ont espéré qu'une nouvelle " supersymétrie “ entre les particules de matière et les particules de force serait observée afin de résoudre une énigme appelée " problème de la hiérarchie ", et aider ainsi à relier les forces quantiques et fournir un candidat pour les particules de ” matière noire » qui maintiennent les galaxies ensemble.

Mais le LHC n’a vu aucun signe des particules prédites par la supersymétrie et, en 2016, les partisans de la théorie ont reconnu que notre univers n’est pas supersymétrique comme ils le pensaient simplement. La même année, l'évocation d'une nouvelle particule s'est avérée être un mirage statistique, et les physiciens ont dû se rendre compte que le LHC ne découvrirait probablement aucun nouveau phénomène au-delà des particules du modèle standard - une situation parfois appelée "scénario du cauchemar" .

Sans indices indiquant l’existence de particules plus lourdes qui pourraient être évoquées dans des collisions à plus haute énergie, il est difficile de justifier la construction d’un autre collisionneur de particules encore plus grand, de plusieurs milliards de dollars. Certains insistent sur le fait que cela en vaut la peine, car il reste encore beaucoup à étudier sur le boson de Higgs, qui pourrait contenir des indices sur d'éventuelles entités plus lourdes situées hors de portée du LHC. Mais aucun indice - ni aucune entité - de cette nature n'est garanti.

Une proposition visant à construire un collisionneur de nouvelle génération au Japon est au point mort. L'Europe réfléchit à un successeur du LHC de 100 kilomètres, mais s'il est approuvé et financé, sa construction prendra tellement de temps que les étudiants diplômés d'aujourd'hui seront à la retraite depuis longtemps avant que ce nouveau LHC ne démarre.

Les physiciens des particules américains ont reçu des nouvelles optimistes en décembre dernier lorsqu'un comité gouvernemental a soutenu l'étude des perspectives quant à un collisionneur de muons . Les muons sont des versions plus volumineuses d'électrons qui seraient plus puissantes lors des collisions, tout en étant dépourvues de la sous-structure des protons, de sorte qu'un collisionneur de muons relativement petit pourrait produire des collisions propres et à haute énergie. Un collisionneur de muons de pointe pourrait s’insérer dans la structure d’une installation existante, le Fermi National Accelerator Laboratory dans l’Illinois, et pourrait donc être construit plus rapidement et à moindre coût. Le problème est que les muons se désintègrent en quelques microsecondes et que la technologie nécessaire pour créer et contrôler des faisceaux étroits de ceux-ci n'existe pas encore. Néanmoins, si le projet va de l'avant, les partisans espèrent qu'un tel dispositif pourrait être opérationnel au moment où les élèves de maternelle d'aujourd'hui commencent à obtenir leur doctorat.

En attendant, les physiciens n’ont d’autre choix que de proposer des expériences alternatives et de nouvelles façons de reconstituer les indices que les collisionneurs leur ont déjà fournis.  

 

Des molécules fossilisées révèlent un monde perdu de vie ancienne

Une nouvelle analyse de sédiments vieux d’un milliard d’années comble une lacune dans les archives fossiles, révélant une dynastie de premiers eucaryotes qui pourraient avoir façonné l’histoire de la vie sur Terre.

Un arbre a quelque chose en commun avec les mauvaises herbes et les champignons qui poussent autour de ses racines, les écureuils qui grimpent sur son tronc, les oiseaux perchés sur ses branches et le photographe qui prend des photos de la scène. Ils ont tous un génome et une machinerie cellulaire soigneusement emballés dans des compartiments reliés par des membranes, un système organisationnel qui les place dans un groupe de formes de vie extrêmement performantes appelés eucaryotes.

Les débuts de l’histoire des eucaryotes fascinent depuis longtemps les scientifiques qui aspirent à comprendre quand la vie moderne a commencé et comment elle a évolué. Mais retracer les premiers eucaryotes à travers l’histoire de la Terre a été difficile. Des données fossiles limitées montrent que leur premier ancêtre est apparu il y a au moins 1,6 milliard d’années. Pourtant, d’autres preuves révélatrices de leur existence manquent. Les eucaryotes devraient produire et laisser derrière eux certaines molécules distinctives, mais les versions fossilisées de ces molécules n'apparaissent dans les archives rocheuses qu'il y a 800 millions d'années. Cet écart inexpliqué de 800 millions d'années dans l'histoire des premiers eucaryotes, période cruciale au cours de laquelle le dernier ancêtre commun de toute la vie complexe d'aujourd'hui est apparu, a enveloppé de mystère l'histoire des débuts de la vie.

"Il existe un énorme écart temporel entre les archives fossiles de ce que nous pensons être les premiers eucaryotes et les premiers biomarqueurs des eucaryotes", a déclaré Galen Halverson , professeur à l'Université McGill de Montréal.

Il existe de nombreuses explications possibles à cet écart paradoxal. Peut-être que les eucaryotes étaient trop rares à cette époque pour laisser derrière eux des preuves de fossiles moléculaires. Ou peut-être étaient-ils abondants, mais leurs fossiles moléculaires n’ont pas survécu aux dures conditions géologiques.

Une étude récente publiée dans Nature propose une explication alternative : les scientifiques ont peut-être recherché les mauvaises molécules fossilisées pendant tout ce temps. Lorsque les auteurs de l’étude ont recherché des versions plus primitives des produits chimiques recherchés par d’autres, ils les ont découverts en abondance – révélant ce qu’ils ont décrit comme " un monde perdu " d’eucaryotes qui vivaient il y a 800 millions à au moins 1,6 milliard d’années.

"Ces molécules ont toujours été là", a déclaré Jochen Brocks , géochimiste à l'Université nationale australienne de Canberra, qui a codirigé l'étude avec Benjamin Nettersheim, alors étudiant diplômé . "Nous ne pouvions pas les trouver parce que nous ne savions pas à quoi elles ressemblaient."

Les résultats apportent une nouvelle clarté à la dynamique de la vie eucaryote précoce. L'abondance de ces fossiles moléculaires suggère que les organismes primitifs ont prospéré dans les océans pendant des centaines de millions d'années avant que les ancêtres des eucaryotes modernes ne prennent le relais, semant des formes de vie qui évolueraient un jour vers les animaux, les plantes, les champignons et les protistes que nous voyons. aujourd'hui.

"C'est une hypothèse élégante qui semble réconcilier ces enregistrements très disparates", a déclaré Halverson, qui n'a pas participé à l'étude. " Cela donne un sens à tout."

Ces découvertes ont été une bonne nouvelle pour des paléontologues comme Phoebe Cohen , présidente de géosciences au Williams College dans le Massachusetts, qui a longtemps pensé qu'il manquait quelque chose dans le dossier des biomarqueurs. "Il existe une histoire riche et dynamique de la vie avant l'évolution des animaux, qui est plus difficile à comprendre car nous ne pouvons pas la voir", a déclaré Cohen. "Mais c'est extrêmement important car cela prépare le terrain pour le monde que nous avons aujourd'hui."

Le casse-tête des protostéroïdes

Lorsque les archives fossiles sont décevantes, les scientifiques disposent d’autres moyens pour estimer le moment où différentes espèces se sont dérivées les unes des autres dans l’arbre évolutif. Parmi ces outils figurent principalement les horloges moléculaires : des fragments d’ADN qui mutent à un rythme constant, permettant aux scientifiques d’estimer le passage du temps. Selon les horloges moléculaires, le dernier ancêtre commun des eucaryotes modernes, qui appartenait à un ensemble diversifié d’organismes appelé groupe couronne, est apparu pour la première fois il y a au moins 1,2 milliard d’années.

Mais l’histoire des eucaryotes ne commence pas là. D’autres eucaryotes primitifs, connus sous le nom de groupe souche, ont vécu des centaines de millions d’années avant l’évolution de notre premier ancêtre commun. Les chercheurs en savent peu sur eux, au-delà du fait qu’ils ont existé. La petite poignée d’anciens fossiles d’eucaryotes découverts sont trop ambigus pour être identifiés comme une tige ou une couronne.

En l’absence de fossiles corporels convaincants, les chercheurs recherchent des fossiles moléculaires. Les fossiles moléculaires, qui se conservent séparément des fossiles corporels, peuvent être difficiles à cerner pour les scientifiques. Ils doivent d’abord identifier quelles molécules auraient pu être produites uniquement par les organismes qu’ils souhaitent étudier. Ensuite, ils doivent composer avec le fait que toutes ces molécules ne se fossilisent pas bien.

La matière organique se désintègre à des rythmes différents et certaines parties des eucaryotes se conservent mieux que d’autres dans la roche. Les tissus se dissolvent en premier. L’ADN peut rester plus longtemps, mais pas trop longtemps : l’ADN le plus ancien jamais découvert a environ 2 millions d’années. Les molécules de graisse, cependant, peuvent potentiellement survivre pendant des milliards d’années.

Les eucaryotes créent de grandes quantités de molécules de graisse appelées stérols, un type de stéroïde qui constitue un composant essentiel des membranes cellulaires. Étant donné que la présence d’une membrane cellulaire est révélatrice des eucaryotes et que les molécules de graisse ont tendance à persister dans la roche, les stérols sont devenus le fossile moléculaire de référence pour ce groupe.

Les eucaryotes modernes fonctionnent avec trois grandes familles de stérols : le cholestérol chez les animaux, les phytostérols chez les plantes et l'ergostérol chez les champignons et certains protistes. Leur synthèse commence par une molécule linéaire, que la cellule façonne en quatre anneaux afin que la forme résultante s'intègre parfaitement dans une membrane, a déclaré Brocks. Ce processus comporte de nombreuses étapes : il faut huit étapes enzymatiques supplémentaires aux cellules animales pour fabriquer du cholestérol, tandis que les cellules végétales nécessitent 11 étapes enzymatiques supplémentaires pour fabriquer un phytostérol.

En route pour fabriquer son stérol avancé, une cellule crée une série de molécules plus simples à chaque étape du processus. Lorsqu’ils sont branchés sur une membrane artificielle, même ces stérols intermédiaires offrent la perméabilité et la rigidité dont une cellule a besoin pour fonctionner comme elle le devrait. Le biochimiste Konrad Bloch, qui a reçu le prix Nobel en 1964 en partie pour avoir découvert les étapes cellulaires de fabrication du cholestérol , "en a été perplexe", a déclaré Brocks. Pourquoi une cellule déploierait-elle des efforts supplémentaires pour fabriquer un stérol plus complexe alors qu’une molécule plus simple ferait le travail ?

En 1994, Bloch a écrit un livre dans lequel il prédisait que chacun de ces stérols intermédiaires avait été autrefois le produit final utilisé dans la membrane d'une cellule eucaryote ancestrale. Chaque étape supplémentaire a peut-être nécessité plus d'énergie de la cellule, mais la molécule résultante constituait une légère amélioration par rapport à la précédente – une amélioration suffisante pour surpasser le précurseur et s'imposer dans l'histoire de l'évolution.

Si cela était vrai, cela expliquerait pourquoi personne n’avait pu trouver de fossiles moléculaires de stérols avant l’expansion rapide des eucaryotes modernes, il y a environ 800 millions d’années. Les chercheurs recherchaient des cholestérols et d’autres structures modernes dans les archives rocheuses. Ils ne se rendaient pas compte que les anciennes voies biochimiques étaient plus courtes et que les organismes des groupes souches ne produisaient pas de stérols modernes : ils  faisaient des protostérols.

Mouture de café moléculaire

En 2005, environ cinq ans après la mort de Bloch, Brocks et ses collègues ont rapporté dans Nature les premiers indices de l'existence de telles molécules intermédiaires. Dans d'anciens sédiments, ils avaient trouvé des stéroïdes de structure inhabituelle qu'ils ne reconnaissaient pas. Mais à l’époque, Brocks ne pensait pas qu’un eucaryote aurait pu les créer. " À l’époque, j’étais assez convaincu qu’ils étaient bactériens ", a-t-il déclaré. "Personne ne pensait du tout à la possibilité d'avoir des eucaryotes du groupe souche."

Il a continué à échantillonner des roches anciennes et à rechercher ces curieuses molécules. Environ une décennie après le début de leurs travaux, Nettersheim et lui ont réalisé que de nombreuses structures moléculaires dans les échantillons de roche semblaient " primitives " et ne ressemblaient pas à celles que fabriquent généralement les bactéries, a déclaré Brocks. Serait-ce les stérols intermédiaires de Bloch ?

(Photo : De rares fossiles microscopiques de la vie ancienne fournissent des horodatages sur l’évolution des eucaryotes.  Satka favosa  (à gauche) et  Valeria lophostriata  datent d'il y a 1,6 milliard d'années. On ne sait pas si les organismes, probablement des protistes, appartiennent au groupe tige ou couronne. )

Il leur fallait davantage de preuves. Au cours de la décennie qui a suivi, Brocks et Nettersheim ont contacté des sociétés pétrolières et minières pour demander des échantillons de tout sédiment ancien qu'elles avaient accidentellement découvert lors d'expéditions de forage.

"La plupart des gens auraient trouvé deux exemples et publiés", a déclaré Andrew Knoll , professeur d'histoire naturelle à l'Université Harvard qui n'a pas participé à l'étude. (Il était le conseiller postdoctoral de Brocks il y a des années.) " Jochen a passé la majeure partie de la décennie à étudier les roches du Protérozoïque du monde entier. "

Pendant ce temps, les chercheurs ont créé un modèle de recherche pour identifier les molécules présentes dans les sédiments. Ils ont converti les molécules intermédiaires modernes fabriquées lors de la synthèse des stérols en équivalents géologiques plausibles des stéroïdes. (Le cholestérol, par exemple, se fossilise sous forme de cholestane.) " Si vous ne savez pas à quoi ressemble la molécule, vous ne la verrez pas 2, a déclaré Brocks.

En laboratoire, ils ont extrait des molécules fossiles des échantillons de sédiments en utilisant un processus qui " ressemble un peu à la préparation du café ", a déclaré Nettersheim. Après avoir broyé les roches, ils ont ajouté des solvants organiques pour en extraire les molécules – tout comme l’eau chaude est utilisée pour extraire le café des grains torréfiés et moulus.

(Photo :Benjamin Nettersheim, géochimiste à l'Université de Brême, examine les cartes moléculaires d'anciens sédiments rocheux à la recherche de biomarqueurs de la vie ancienne.)

Pour analyser leurs échantillons et les comparer à leurs références, ils ont utilisé la spectrométrie de masse, qui détermine le poids des molécules, et la chromatographie, qui révèle leur composition atomique.

Le processus est ardu. "Vous analysez des centaines de roches et ne trouvez rien", a déclaré Brocks. Lorsque l’on trouve quelque chose, il s’agit souvent d’une contamination récente. Mais plus ils analysaient d’échantillons, plus ils trouvaient de fossiles.

Certains échantillons étaient remplis à ras bord de protostéroïdes. Ils ont découvert ces molécules dans des roches datant d'il y a 800 millions à 1,6 milliard d'années. Il semblait que non seulement les eucaryotes anciens étaient présents depuis environ 800 millions d’années avant le décollage des eucaryotes modernes, mais qu’ils étaient également abondants.

Les chercheurs ont même pu reconnaître le processus évolutif des eucaryotes à mesure que leurs stéroïdes devenaient plus complexes. Par exemple, dans des roches vieilles de 1,3 milliard d’années, ils ont découvert une molécule intermédiaire plus avancée que les protostéroïdes vieux de 1,6 milliard d’années, mais pas aussi avancée que les stéroïdes modernes.

"C'était une façon très intelligente de traiter les archives manquantes de fossiles moléculaires", a déclaré David Gold , géobiologiste à l'Université de Californie à Davis, qui n'a pas participé à l'étude. Leur découverte a immédiatement comblé une lacune de 800 millions d’années dans l’histoire de la naissance de la vie moderne.

Un monde perdu

Les découvertes moléculaires, combinées aux données génétiques et fossiles, révèlent l'image la plus claire à ce jour de la dynamique eucaryote précoce d'il y a environ 1 milliard d'années, au cours de la mystérieuse ère médiane du Protérozoïque, ont déclaré les experts. D'après les preuves de Brocks et Nettersheim, les eucaryotes des groupes tige et couronne (stem and crown)  ont probablement vécu ensemble pendant des centaines de millions d'années et se sont probablement fait concurrence pendant une période que les géologues appellent le milliard ennuyeux en raison de sa lente évolution biologique.

L'absence de stéroïdes plus modernes à cette époque suggère que le groupe couronne n'a pas immédiatement pris le dessus. Au contraire, les organismes liés à la membrane ont commencé petit à mesure qu'ils trouvaient des niches dans l'ancien écosystème, a déclaré Gold. " Il faut beaucoup de temps pour que les [eucaryotes] deviennent écologiquement dominants ", a-t-il déclaré.

(Photo : Ces anciens microfossiles partagent un ancêtre avec tous les eucaryotes vivant aujourd’hui. Vieille d’un milliard d’années, l’algue benthique  Proterocladus antiquus  (au centre) est le plus ancien fossile de couronne connu. Il y a 750 millions d'années, les eucaryotes du groupe couronne tels que l'amibozoaire Bonniea dacruchares  (à gauche) et le rhizarien  Melicerion poikilon  (à droite) étaient courants.)

De gauche à droite : Susannah Porter ; Avec l'aimable autorisation de Virginia Tech ; Susannah Porter

Au début, le groupe souche avait peut-être un avantage. Les niveaux d’oxygène dans l’atmosphère étaient nettement inférieurs à ce qu’ils sont aujourd’hui. Étant donné que la construction de protostérols nécessite moins d’oxygène et d’énergie que les stérols modernes, les eucaryotes du groupe souche étaient probablement plus efficaces et plus abondants.

Leur influence déclina lorsque le monde traversa une transition critique connue sous le nom de période tonienne. Il y a entre 1 milliard et 720 millions d’années, l’oxygène, les nutriments et autres matières premières cellulaires ont augmenté dans les océans. Des fossiles d'eucaryotes modernes, comme des algues et des champignons, commencent à apparaître dans les archives rocheuses, et les stéroïdes modernes commencent à dépasser en nombre les protostéroïdes dans les biomarqueurs fossilisés – des preuves qui suggèrent que les eucaryotes du groupe couronne avaient commencé à prospérer, à augmenter en nombre et à se diversifier.

Pourquoi les stérols deviendraient-ils plus compliqués avec le temps ? Les auteurs suggèrent que les stérols les plus complexes confèrent à leurs propriétaires un certain avantage évolutif, peut-être lié à la dynamique des membranes cellulaires des créatures. Quelle que soit la raison, le changement de stérol était significatif sur le plan évolutif. La composition des stérols modernes a probablement donné aux eucaryotes du groupe couronne un avantage par rapport au groupe souche. Finalement, " ce monde perdu d’anciens eucaryotes a été remplacé par les eucaryotes modernes ", a déclaré Brocks.

Une ride bactérienne

L’histoire évolutive des chercheurs sur les stérols est convaincante, mais elle n’est pas solide comme le roc.

"Je ne serais pas surpris" si leur interprétation est correcte, a déclaré Gold. Cependant, il existe une autre possibilité. Bien que les scientifiques aient tendance à associer les stérols aux eucaryotes, certaines bactéries peuvent également les fabriquer. Les fossiles moléculaires de l’étude auraient-ils pu être laissés par des bactéries ?Gordon Love , géochimiste à l'Université de Californie à Riverside, pense que le scénario bactérien est plus logique. "Ces protostéroïdes se retrouvent dans les roches de tous âges", a-t-il déclaré. "Ils ne disparaissent pas tout simplement, ce qui signifie que quelque chose d'autre que les eucaryotes souches est capable de les fabriquer." Il a fait valoir que les bactéries, qui dominaient la mer à cette époque, auraient pu facilement produire des protostéroïdes.

Les auteurs ne peuvent pas exclure cette possibilité. En fait, ils soupçonnent que certaines de leurs molécules fossiles ont été fabriquées par des bactéries. Mais la possibilité que leur vaste collection de protostéroïdes fossilisés, s'étendant sur des centaines de millions d'années, ait été entièrement constituée de bactéries semble peu probable, a déclaré Brocks.

" Si vous regardez l'écologie de ces bactéries aujourd'hui et leur abondance, il n'y a tout simplement aucune raison de croire qu'elles pourraient devenir si abondantes qu'elles auraient pu produire toutes ces molécules", a-t-il déclaré. Dans le monde moderne, les bactéries produisent des protostérols uniquement dans des environnements de niche tels que les sources hydrothermales ou les suintements de méthane.

Cohen, paléontologue du Williams College, est d'accord avec Brocks. L’interprétation selon laquelle ces molécules ont été faites par des eucaryotes " est cohérente avec toutes les autres sources de preuves ", a-t-elle déclaré – des archives fossiles aux analyses de l’horloge moléculaire. " Je ne suis pas aussi inquiète 2 quant à cette possibilité, a-t-elle déclaré.

L’une ou l’autre interprétation présente plus de questions que de réponses. "Les deux histoires seraient absolument folles et bizarres", a déclaré Brocks. Ce sont " des visions différentes de notre monde ", a-t-il ajouté, et il serait bien de savoir laquelle est la vraie.

Faute de machine à remonter le temps, les chercheurs recherchent davantage de preuves pour améliorer leur certitude dans un sens ou dans l’autre. Mais il n’existe qu’un nombre limité de façons de reconstruire ou de percevoir la vie ancienne – et même les meilleures suppositions des scientifiques ne peuvent jamais combler complètement cette lacune. "La plupart des formes de vie n'ont laissé aucune trace sur Terre", a déclaré Nettersheim. " Le bilan que nous voyons est limité. … Pendant la majeure partie de l’histoire de la Terre, la vie aurait pu être très différente. "

De quoi l'espace-temps est-il réellement fait ?

L'espace-temps pourrait émerger d'une réalité plus fondamentale. La découverte de cette réalité pourrait débloquer l'objectif le plus urgent de la physique

Natalie Paquette passe son temps à réfléchir à la manière de faire croître une dimension supplémentaire. Elle commence par de petits cercles, dispersés en tout point de l'espace et du temps - une dimension en forme de boucle, qui se referme sur elle-même. Puis on rétrécit ces cercles, de plus en plus petits, en resserrant la boucle, jusqu'à ce qu'une curieuse transformation se produise : la dimension cesse de sembler minuscule et devient énorme, comme lorsqu'on réalise que quelque chose qui semble petit et proche est en fait énorme et distant. "Nous réduisons une direction spatiale", explique Paquette. "Mais lorsque nous essayons de la rétrécir au-delà d'un certain point, une nouvelle et grande direction spatiale émerge à la place."

Paquette, physicien théoricien à l'université de Washington, n'est pas le seul à penser à cette étrange sorte de transmutation dimensionnelle. Un nombre croissant de physiciens, travaillant dans différents domaines de la discipline avec des approches différentes, convergent de plus en plus vers une idée profonde : l'espace - et peut-être même le temps - n'est pas fondamental. Au contraire, l'espace et le temps pourraient être émergents : ils pourraient découler de la structure et du comportement de composants plus fondamentaux de la nature. Au niveau le plus profond de la réalité, des questions comme "Où ?" et "Quand ?" n'ont peut-être aucune réponse. "La physique nous donne de nombreux indices selon lesquels l'espace-temps tel que nous le concevons n'est pas la chose fondamentale", déclare M. Paquette.

Ces notions radicales proviennent des derniers rebondissements de la chasse à la théorie de la gravité quantique, qui dure depuis un siècle. La meilleure théorie des physiciens sur la gravité est la relativité générale, la célèbre conception d'Albert Einstein sur la façon dont la matière déforme l'espace et le temps. Leur meilleure théorie sur tout le reste est la physique quantique, qui est d'une précision étonnante en ce qui concerne les propriétés de la matière, de l'énergie et des particules subatomiques. Les deux théories ont facilement passé tous les tests que les physiciens ont pu concevoir au cours du siècle dernier. On pourrait penser qu'en les réunissant, on obtiendrait une "théorie du tout".

Mais les deux théories ne s'entendent pas bien. Demandez à la relativité générale ce qui se passe dans le contexte de la physique quantique, et vous obtiendrez des réponses contradictoires, avec des infinis indomptés se déchaînant sur vos calculs. La nature sait comment appliquer la gravité dans des contextes quantiques - cela s'est produit dans les premiers instants du big bang, et cela se produit encore au cœur des trous noirs - mais nous, les humains, avons encore du mal à comprendre comment le tour se joue. Une partie du problème réside dans la manière dont les deux théories traitent l'espace et le temps. Alors que la physique quantique considère l'espace et le temps comme immuables, la relativité générale les déforme au petit déjeuner.

D'une manière ou d'une autre, une théorie de la gravité quantique devrait concilier ces idées sur l'espace et le temps. Une façon d'y parvenir serait d'éliminer le problème à sa source, l'espace-temps lui-même, en faisant émerger l'espace et le temps de quelque chose de plus fondamental. Ces dernières années, plusieurs pistes de recherche différentes ont toutes suggéré qu'au niveau le plus profond de la réalité, l'espace et le temps n'existent pas de la même manière que dans notre monde quotidien. Au cours de la dernière décennie, ces idées ont radicalement changé la façon dont les physiciens envisagent les trous noirs. Aujourd'hui, les chercheurs utilisent ces concepts pour élucider le fonctionnement d'un phénomène encore plus exotique : les trous de ver, connexions hypothétiques en forme de tunnel entre des points distants de l'espace-temps. Ces succès ont entretenu l'espoir d'une percée encore plus profonde. Si l'espace-temps est émergent, alors comprendre d'où il vient - et comment il pourrait naître de n'importe quoi d'autre - pourrait être la clé manquante qui ouvrirait enfin la porte à une théorie du tout.

LE MONDE DANS UN DUO DE CORDES

Aujourd'hui, la théorie candidate à la gravité quantique la plus populaire parmi les physiciens est la théorie des cordes. Selon cette idée, les cordes éponymes sont les constituants fondamentaux de la matière et de l'énergie, donnant naissance à la myriade de particules subatomiques fondamentales observées dans les accélérateurs de particules du monde entier. Elles sont même responsables de la gravité - une particule hypothétique porteuse de la force gravitationnelle, un "graviton", est une conséquence inévitable de la théorie.

Mais la théorie des cordes est difficile à comprendre : elle se situe dans un territoire mathématique que les physiciens et les mathématiciens ont mis des décennies à explorer. Une grande partie de la structure de la théorie est encore inexplorée, des expéditions sont encore prévues et des cartes restent à établir. Dans ce nouveau domaine, la principale technique de navigation consiste à utiliser des dualités mathématiques, c'est-à-dire des correspondances entre un type de système et un autre.

La dualité évoquée au début de cet article, entre les petites dimensions et les grandes, en est un exemple. Si vous essayez de faire entrer une dimension dans un petit espace, la théorie des cordes vous dit que vous obtiendrez quelque chose de mathématiquement identique à un monde où cette dimension est énorme. Selon la théorie des cordes, les deux situations sont identiques : vous pouvez aller et venir librement de l'une à l'autre et utiliser les techniques d'une situation pour comprendre le fonctionnement de l'autre. "Si vous gardez soigneusement la trace des éléments fondamentaux de la théorie, dit Paquette, vous pouvez naturellement trouver parfois que... vous pourriez faire croître une nouvelle dimension spatiale."

Une dualité similaire suggère à de nombreux théoriciens des cordes que l'espace lui-même est émergeant. L'idée a germé en 1997, lorsque Juan Maldacena, physicien à l'Institute for Advanced Study, a découvert une dualité entre une théorie quantique bien comprise, connue sous le nom de théorie des champs conforme (CFT), et un type particulier d'espace-temps issu de la relativité générale, appelé espace anti-de Sitter (AdS). Ces deux théories semblent très différentes : la CFT ne comporte aucune gravité, tandis que l'espace AdS intègre toute la théorie de la gravité d'Einstein. Pourtant, les mêmes mathématiques peuvent décrire les deux mondes. Lorsqu'elle a été découverte, cette correspondance AdS/CFT a fourni un lien mathématique tangible entre une théorie quantique et un univers complet comportant une gravité.

Curieusement, l'espace AdS dans la correspondance AdS/CFT comportait une dimension de plus que la CFT quantique. Mais les physiciens se sont délectés de ce décalage, car il s'agissait d'un exemple parfaitement élaboré d'un autre type de correspondance conçu quelques années plus tôt par les physiciens Gerard 't Hooft de l'université d'Utrecht aux Pays-Bas et Leonard Susskind de l'université de Stanford, connu sous le nom de principe holographique. Se fondant sur certaines des caractéristiques particulières des trous noirs, Gerard 't Hooft et Leonard Susskind soupçonnaient que les propriétés d'une région de l'espace pouvaient être entièrement "codées" par sa frontière. En d'autres termes, la surface bidimensionnelle d'un trou noir contiendrait toutes les informations nécessaires pour savoir ce qui se trouve dans son intérieur tridimensionnel, comme un hologramme. "Je pense que beaucoup de gens ont pensé que nous étions fous", dit Susskind. "Deux bons physiciens devenusdingues".

De même, dans la correspondance AdS/CFT, la CFT quadridimensionnelle encode tout ce qui concerne l'espace AdS à cinq dimensions auquel elle est associée. Dans ce système, la région entière de l'espace-temps est construite à partir des interactions entre les composants du système quantique dans la théorie des champs conforme. Maldacena compare ce processus à la lecture d'un roman. "Si vous racontez une histoire dans un livre, il y a les personnages du livre qui font quelque chose", dit-il. "Mais tout ce qu'il y a, c'est une ligne de texte, non ? Ce que font les personnages est déduit de cette ligne de texte. Les personnages du livre seraient comme la théorie [AdS] globale. Et la ligne de texte est la [CFT]."

Mais d'où vient l'espace de l'espace AdS ? Si cet espace est émergent, de quoi émerge-t-il ? La réponse est un type d'interaction spécial et étrangement quantique dans la CFT : l'intrication, une connexion à longue distance entre des objets, corrélant instantanément leur comportement de manière statistiquement improbable. L'intrication a beaucoup troublé Einstein, qui l'a qualifiée d'"action étrange à distance".

Connaîtrons-nous un jour la véritable nature de l'espace et du temps ?

 Pourtant, malgré son caractère effrayant, l'intrication est une caractéristique essentielle de la physique quantique. Lorsque deux objets interagissent en mécanique quantique, ils s'intriquent généralement et le resteront tant qu'ils resteront isolés du reste du monde, quelle que soit la distance qui les sépare. Dans des expériences, les physiciens ont maintenu l'intrication entre des particules distantes de plus de 1 000 kilomètres et même entre des particules au sol et d'autres envoyées vers des satellites en orbite. En principe, deux particules intriquées pourraient maintenir leur connexion sur des côtés opposés de la galaxie ou de l'univers. La distance ne semble tout simplement pas avoir d'importance pour l'intrication, une énigme qui a troublé de nombreux physiciens pendant des décennies.

Mais si l'espace est émergent, la capacité de l'intrication à persister sur de grandes distances n'est peut-être pas si mystérieuse - après tout, la distance est une construction. Selon les études de la correspondance AdS/CFT menées par les physiciens Shinsei Ryu de l'université de Princeton et Tadashi Takayanagi de l'université de Kyoto, l'intrication est ce qui produit les distances dans l'espace AdS en premier lieu. Deux régions d'espace proches du côté AdS de la dualité correspondent à deux composantes quantiques hautement intriquées de la CFT. Plus elles sont intriquées, plus les régions de l'espace sont proches les unes des autres.

Ces dernières années, les physiciens en sont venus à soupçonner que cette relation pourrait également s'appliquer à notre univers. "Qu'est-ce qui maintient l'espace ensemble et l'empêche de se désagréger en sous-régions distinctes ? La réponse est l'intrication entre deux parties de l'espace", déclare Susskind. "La continuité et la connectivité de l'espace doivent leur existence à l'intrication quantique-mécanique". L'intrication pourrait donc sous-tendre la structure de l'espace lui-même, formant la chaîne et la trame qui donnent naissance à la géométrie du monde. "Si l'on pouvait, d'une manière ou d'une autre, détruire l'intrication entre deux parties [de l'espace], l'espace se désagrégerait", déclare Susskind. "Il ferait le contraire de l'émergence. Il désémergerait."

Si l'espace est fait d'intrication, l'énigme de la gravité quantique semble beaucoup plus facile à résoudre : au lieu d'essayer de rendre compte de la déformation de l'espace de manière quantique, l'espace lui-même émerge d'un phénomène fondamentalement quantique. Susskind pense que c'est la raison pour laquelle une théorie de la gravité quantique a été si difficile à trouver en premier lieu. "Je pense que la raison pour laquelle elle n'a jamais très bien fonctionné est qu'elle a commencé par une image de deux choses différentes, [la relativité générale] et la mécanique quantique, et qu'elle les a mises ensemble", dit-il. "Et je pense que l'idée est qu'elles sont beaucoup trop étroitement liées pour être séparées puis réunies à nouveau. La gravité n'existe pas sans la mécanique quantique".

Pourtant, la prise en compte de l'espace émergent ne représente que la moitié du travail. L'espace et le temps étant si intimement liés dans la relativité, tout compte rendu de l'émergence de l'espace doit également expliquer le temps. "Le temps doit également émerger d'une manière ou d'une autre", déclare Mark van Raamsdonk, physicien à l'université de Colombie-Britannique et pionnier du lien entre intrication et espace-temps. "Mais cela n'est pas bien compris et constitue un domaine de recherche actif".

Un autre domaine actif, dit-il, consiste à utiliser des modèles d'espace-temps émergent pour comprendre les trous de ver. Auparavant, de nombreux physiciens pensaient que l'envoi d'objets à travers un trou de ver était impossible, même en théorie. Mais ces dernières années, les physiciens travaillant sur la correspondance AdS/CFT et sur des modèles similaires ont trouvé de nouvelles façons de construire des trous de ver. "Nous ne savons pas si nous pourrions le faire dans notre univers", dit van Raamsdonk. "Mais ce que nous savons maintenant, c'est que certains types de trous de ver traversables sont théoriquement possibles". Deux articles - l'un en 2016 et l'autre en 2018 - ont conduit à une rafale de travaux en cours dans ce domaine. Mais même si des trous de ver traversables pouvaient être construits, ils ne seraient pas d'une grande utilité pour les voyages spatiaux. Comme le souligne Susskind, "on ne peut pas traverser ce trou de ver plus vite qu'il ne faudrait à [la lumière] pour faire le chemin inverse."

Si les théoriciens des cordes ont raison, alors l'espace est construit à partir de l'intrication quantique, et le temps pourrait l'être aussi. Mais qu'est-ce que cela signifie vraiment ? Comment l'espace peut-il être "fait" d'intrication entre des objets, à moins que ces objets ne soient eux-mêmes quelque part ? Comment ces objets peuvent-ils s'enchevêtrer s'ils ne connaissent pas le temps et le changement ? Et quel type d'existence les choses pourraient-elles avoir sans habiter un espace et un temps véritables ?

Ces questions frisent la philosophie, et les philosophes de la physique les prennent au sérieux. "Comment diable l'espace-temps pourrait-il être le genre de chose qui pourrait être émergent ?" demande Eleanor Knox, philosophe de la physique au King's College de Londres. Intuitivement, dit-elle, cela semble impossible. Mais Knox ne pense pas que ce soit un problème. "Nos intuitions sont parfois catastrophiques", dit-elle. Elles "ont évolué dans la savane africaine en interagissant avec des macro-objets, des macro-fluides et des animaux biologiques" et ont tendance à ne pas être transférées au monde de la mécanique quantique. En ce qui concerne la gravité quantique, "Où sont les objets ?" et "Où vivent-ils ?" ne sont pas les bonnes questions à poser", conclut Mme Knox.

Il est certainement vrai que les objets vivent dans des lieux dans la vie de tous les jours. Mais comme Knox et bien d'autres le soulignent, cela ne signifie pas que l'espace et le temps doivent être fondamentaux, mais simplement qu'ils doivent émerger de manière fiable de ce qui est fondamental. Prenons un liquide, explique Christian Wüthrich, philosophe de la physique à l'université de Genève. "En fin de compte, il s'agit de particules élémentaires, comme les électrons, les protons et les neutrons ou, plus fondamental encore, les quarks et les leptons. Les quarks et les leptons ont-ils des propriétés liquides ? Cela n'a aucun sens... Néanmoins, lorsque ces particules fondamentales se rassemblent en nombre suffisant et montrent un certain comportement ensemble, un comportement collectif, alors elles agiront d'une manière qui ressemble à un liquide."

Selon Wüthrich, l'espace et le temps pourraient fonctionner de la même manière dans la théorie des cordes et d'autres théories de la gravité quantique. Plus précisément, l'espace-temps pourrait émerger des matériaux que nous considérons habituellement comme vivant dans l'univers - la matière et l'énergie elles-mêmes. "Ce n'est pas que nous ayons d'abord l'espace et le temps, puis nous ajoutons de la matière", explique Wüthrich. "Au contraire, quelque chose de matériel peut être une condition nécessaire pour qu'il y ait de l'espace et du temps. Cela reste un lien très étroit, mais c'est juste l'inverse de ce que l'on aurait pu penser à l'origine."

Mais il existe d'autres façons d'interpréter les dernières découvertes. La correspondance AdS/CFT est souvent considérée comme un exemple de la façon dont l'espace-temps pourrait émerger d'un système quantique, mais ce n'est peut-être pas vraiment ce qu'elle montre, selon Alyssa Ney, philosophe de la physique à l'université de Californie, à Davis. "AdS/CFT vous donne cette capacité de fournir un manuel de traduction entre les faits concernant l'espace-temps et les faits de la théorie quantique", dit Ney. "C'est compatible avec l'affirmation selon laquelle l'espace-temps est émergent, et une certaine théorie quantique est fondamentale." Mais l'inverse est également vrai, dit-elle. La correspondance pourrait signifier que la théorie quantique est émergente et que l'espace-temps est fondamental, ou qu'aucun des deux n'est fondamental et qu'il existe une théorie fondamentale encore plus profonde. L'émergence est une affirmation forte, dit Ney, et elle est ouverte à la possibilité qu'elle soit vraie. "Mais, du moins si l'on s'en tient à AdS/CFT, je ne vois toujours pas d'argument clair en faveur de l'émergence."

Un défi sans doute plus important pour l'image de la théorie des cordes de l'espace-temps émergent est caché à la vue de tous, juste au nom de la correspondance AdS/CFT elle-même. "Nous ne vivons pas dans un espace anti-de Sitter", dit Susskind. "Nous vivons dans quelque chose de beaucoup plus proche de l'espace de Sitter". L'espace de Sitter décrit un univers en accélération et en expansion, comme le nôtre. "Nous n'avons pas la moindre idée de la façon dont [l'holographie] s'y applique", conclut M. Susskind. Trouver comment établir ce type de correspondance pour un espace qui ressemble davantage à l'univers réel est l'un des problèmes les plus urgents pour les théoriciens des cordes. "Je pense que nous allons être en mesure de mieux comprendre comment entrer dans une version cosmologique de ceci", dit van Raamsdonk.

Enfin, il y a les nouvelles - ou l'absence de nouvelles - provenant des derniers accélérateurs de particules, qui n'ont trouvé aucune preuve de l'existence des particules supplémentaires prévues par la supersymétrie, une idée sur laquelle repose la théorie des cordes. Selon la supersymétrie, toutes les particules connues auraient leurs propres "superpartenaires", ce qui doublerait le nombre de particules fondamentales. Mais le Grand collisionneur de hadrons du CERN, près de Genève, conçu en partie pour rechercher des superpartenaires, n'en a vu aucun signe. "Toutes les versions vraiment précises de [l'espace-temps émergent] dont nous disposons se trouvent dans des théories supersymétriques", déclare Susskind. "Une fois que vous n'avez plus de supersymétrie, la capacité à suivre mathématiquement les équations s'évapore tout simplement de vos mains".

LES ATOMES DE L'ESPACE-TEMPS

La théorie des cordes n'est pas la seule idée qui suggère que l'espace-temps est émergent. La théorie des cordes "n'a pas réussi à tenir [ses] promesses en tant que moyen d'unir la gravité et la mécanique quantique", déclare Abhay Ashtekar, physicien à l'université d'État de Pennsylvanie. "La puissance de la théorie des cordes réside désormais dans le fait qu'elle fournit un ensemble d'outils extrêmement riche, qui ont été largement utilisés dans tout le spectre de la physique." Ashtekar est l'un des pionniers originaux de l'alternative la plus populaire à la théorie des cordes, connue sous le nom de gravité quantique à boucles. Dans la gravité quantique à boucles, l'espace et le temps ne sont pas lisses et continus, comme c'est le cas dans la relativité générale, mais ils sont constitués de composants discrets, ce qu'Ashtekar appelle des "morceaux ou atomes d'espace-temps".

Ces atomes d'espace-temps sont connectés en réseau, avec des surfaces unidimensionnelles et bidimensionnelles qui les réunissent en ce que les praticiens de la gravité quantique à boucle appellent une mousse de spin. Et bien que cette mousse soit limitée à deux dimensions, elle donne naissance à notre monde quadridimensionnel, avec trois dimensions d'espace et une de temps. Ashtekar compare ce monde à un vêtement. "Si vous regardez votre chemise, elle ressemble à une surface bidimensionnelle", dit-il. "Si vous prenez une loupe, vous verrez immédiatement qu'il s'agit de fils unidimensionnels. C'est juste que ces fils sont si denses que, pour des raisons pratiques, vous pouvez considérer la chemise comme une surface bidimensionnelle. De même, l'espace qui nous entoure ressemble à un continuum tridimensionnel. Mais il y a vraiment un entrecroisement par ces [atomes d'espace-temps]".

Bien que la théorie des cordes et la gravité quantique à boucles suggèrent toutes deux que l'espace-temps est émergent, le type d'émergence est différent dans les deux théories. La théorie des cordes suggère que l'espace-temps (ou du moins l'espace) émerge du comportement d'un système apparemment sans rapport, sous forme d'intrication. Pensez à la façon dont les embouteillages émergent des décisions collectives des conducteurs individuels. Les voitures ne sont pas faites de la circulation - ce sont les voitures qui font la circulation. Dans la gravité quantique à boucles, par contre, l'émergence de l'espace-temps ressemble davantage à une dune de sable en pente émergeant du mouvement collectif des grains de sable dans le vent. L'espace-temps lisse et familier provient du comportement collectif de minuscules "grains" d'espace-temps ; comme les dunes, les grains sont toujours du sable, même si les gros grains cristallins n'ont pas l'apparence ou le comportement des dunes ondulantes.

Malgré ces différences, gravité quantique à boucles et  théorie des cordes suggèrent toutes deux que l'espace-temps émerge d'une réalité sous-jacente. Elles ne sont pas non plus les seules théories proposées de la gravité quantique qui vont dans ce sens. La théorie de l'ensemble causal, un autre prétendant à une théorie de la gravité quantique, postule que l'espace et le temps sont également constitués de composants plus fondamentaux. "Il est vraiment frappant de constater que, pour la plupart des théories plausibles de la gravité quantique dont nous disposons, leur message est, en quelque sorte, que l'espace-temps relativiste général n'existe pas au niveau fondamental", déclare Knox. "Les gens sont très enthousiastes lorsque différentes théories de la gravité quantique s'accordent au moins sur quelque chose."

L'AVENIR DE L'ESPACE AUX CONFINS DU TEMPS

La physique moderne est victime de son propre succès. La physique quantique et la relativité générale étant toutes deux d'une précision phénoménale, la gravité quantique n'est nécessaire que pour décrire des situations extrêmes, lorsque des masses énormes sont entassées dans des espaces insondables. Ces conditions n'existent que dans quelques endroits de la nature, comme le centre d'un trou noir, et surtout pas dans les laboratoires de physique, même les plus grands et les plus puissants. Il faudrait un accélérateur de particules de la taille d'une galaxie pour tester directement le comportement de la nature dans des conditions où règne la gravité quantique. Ce manque de données expérimentales directes explique en grande partie pourquoi la recherche d'une théorie de la gravité quantique par les scientifiques a été si longue.

Face à l'absence de preuves, la plupart des physiciens ont placé leurs espoirs dans le ciel. Dans les premiers instants du big bang, l'univers entier était phénoménalement petit et dense - une situation qui exige une gravité quantique pour le décrire. Et des échos de cette époque peuvent subsister dans le ciel aujourd'hui. "Je pense que notre meilleure chance [de tester la gravité quantique] passe par la cosmologie", déclare Maldacena. "Peut-être quelque chose en cosmologie que nous pensons maintenant être imprévisible, qui pourra peut-être être prédit une fois que nous aurons compris la théorie complète, ou une nouvelle chose à laquelle nous n'avions même pas pensé."

Les expériences de laboratoire pourraient toutefois s'avérer utiles pour tester la théorie des cordes, du moins indirectement. Les scientifiques espèrent étudier la correspondance AdS/CFT non pas en sondant l'espace-temps, mais en construisant des systèmes d'atomes fortement intriqués et en observant si un analogue à l'espace-temps et à la gravité apparaît dans leur comportement. De telles expériences pourraient "présenter certaines caractéristiques de la gravité, mais peut-être pas toutes", déclare Maldacena. "Cela dépend aussi de ce que l'on appelle exactement la gravité".

Connaîtrons-nous un jour la véritable nature de l'espace et du temps ? Les données d'observation du ciel ne seront peut-être pas disponibles de sitôt. Les expériences en laboratoire pourraient être un échec. Et comme les philosophes le savent bien, les questions sur la véritable nature de l'espace et du temps sont très anciennes. Ce qui existe "est maintenant tout ensemble, un, continu", disait le philosophe Parménide il y a 2 500 ans. "Tout est plein de ce qui est". Parménide insistait sur le fait que le temps et le changement étaient des illusions, que tout partout était un et le même. Son élève Zénon a créé de célèbres paradoxes pour prouver le point de vue de son professeur, prétendant démontrer que le mouvement sur n'importe quelle distance était impossible. Leurs travaux ont soulevé la question de savoir si le temps et l'espace étaient en quelque sorte illusoires, une perspective troublante qui a hanté la philosophie occidentale pendant plus de deux millénaires.

Le fait que les Grecs de l'Antiquité aient posé des questions telles que "Qu'est-ce que l'espace ?", "Qu'est-ce que le temps ?", "Qu'est-ce que le changement ?" et que nous posions encore des versions de ces questions aujourd'hui signifie qu'il s'agissait des bonnes questions à poser", explique M. Wüthrich. "C'est en réfléchissant à ce genre de questions que nous avons appris beaucoup de choses sur la physique".