Hubert Reeves La Science d'astronomie, d'astrophysique et d'espace

Cosmologiste mondialement connu et vulgarisateur scientifique

"« La physique moderne nous permet de nous écrier «Vive la liberté!»»"

L'histoire

Reeves regardait par la fenêtre. Les montagnes des Alpes, magnifiques et recouvertes de neige, attirèrent son attention au moment où le train passait un virage en allant de Genève à Berne, en Suisse, en octobre 1970. Sous les montagnes un patchwork automnal d'or et de vermillon encadrait un ruisseau sinueux, et Reeves se demanda brièvement si celui-ci provenait de la fonte des neiges. Soudain il comprit la solution du mystère. Le courant du ruisseau lui rappela un souvenir, une scène issue d'un film sur les montagnes et l'eau froide : La Bataille de l'eau lourde (The Battle for Heavy Water). Ce film du réalisateur français Jean Dréville, qui date de 1947, raconte l'histoire vraie qui se produisit vers la fin de la Deuxième Guerre Mondiale, lorsque les troupes alliées détruisirent une usine d'eau lourde super secrète située dans les montagnes de Norvège. Les Nazis avaient l'intention d'utiliser l'eau lourde pour fabriquer une bombe atomique.

Eau lourde, hydrogène lourd. Une idée naquit soudain dans l'esprit de Reeves.  L'eau lourde est extraite de l'eau ordinaire à des températures extrêmement  basses, et c'est une procédure qui prend longtemps. Et voila ! Reeves venait de comprendre comment expliquer l'énorme divergence dans les récents résultats d'expériences menées sur la nature du vent solaire --  l'énorme flux de particules atomiques expédiées dans l'espace par le soleil en fusion. Il était à ce moment en route pour Berne, afin de discuter de ce problème particulier avec son collègue Johannes Geiss, le physicien suisse qui avait dirigé l'expérience. Reeves attrapa un bloc-notes et, tandis que le magnifique panorama se déployait sous ses yeux, essaya de coucher ses idées sur le papier. D'un côté, les paroles qu'il venait de prononcer lors d'une conférence d'astrophysique nucléaire à l'Observatoire de Genève résonnaient toujours dans son esprit. Mais par ailleurs il avait l'impression d'avoir trouvé une théorie permettant d'expliquer pourquoi Geiss avait trouvé cinq fois moins d'hydrogène lourd dans le vent solaire que dans le vent terrestre. En théorie, le Soleil et la Terre sont issus de la même matière originelle, principalement de l'hydrogène, et c'est pourquoi les scientifiques étaient ennuyés par cette différence au quintuple. Qu'est ce qui pouvait en être la cause ?

L'hydrogène est l'élément le plus simple de l'univers. Un proton est composé d'un noyau autour duquel circule un électron unique, on ne peut plus simple ! Cependant, un autre type d'hydrogène naturel existe, le deutérium ou hydrogène lourd. Cet élément est plus lourd car un noyau de deutérium contient un neutron ainsi qu'un proton. Le Deutérium est rare, mais du point de vue chimique il se comporte comme de l'hydrogène ordinaire et c'est pourquoi sur Terre il existe principalement sous la forme d'eau, comme pour la plupart de l'hydrogène présent sur notre planète. Il y a deux atomes d'hydrogène dans chaque molécule d'eau (H2O). Les molécules d'eau dans les océans de la Terre contiennent environ un atome d'hydrogène lourd pour 2000 atomes d'hydrogène ordinaire.

Cette « eau lourde » est nécessaire dans un certain type de réacteur nucléaire, comme le réacteur canadien CANDU, car elle permet de ralentir les neutrons rapides. Si ces neutrons n'étaient pas contenus, une explosion nucléaire terrifiante pourrait se produire. Les réacteurs à l'eau lourde produisent aussi du plutonium, qui est l'un des  composants majeurs d'une bombe atomique. C'est pourquoi les Nazis avaient besoin d'eau lourde en 1944.

En 1969, après de longues négociations avec la NASA, le physicien suisse Johannes Geiss réussit à convaincre les américains de réaliser pour lui une expérience simple. Sur 5 des 15 voyages réalisés par la fusée Apollo vers la Lune, les astronomes hissèrent des drapeaux formés de feuilles d'aluminium et les laissèrent au-dehors pour des durées variant de 77 minutes sur Apollo 11 jusqu'à 45 heures sur Apollo 16. Chaque feuille d'aluminium fut récupérée, ramenée sur Terre et examinée par Geiss. Avec une atmosphère non existante, Geiss pensait que la Lune serait l'endroit idéal pour « sentir » le vent solaire ;  ses particules s'incrusteraient dans la feuille d'aluminium. 

Quand Geiss examina la feuille il découvrit, entre autres choses, que le vent solaire était composé d'une atome d'hydrogène lourd pour 10000 atomes d'hydrogène ordinaire. Quelle était la cause de ce phénomène ? Si le Soleil et la Terre étaient issus de la même matière originelle, pourquoi trouvait-on cinq fois plus d'hydrogène lourd sur Terre que sur le Soleil ? 

C'était le puzzle que Reeves avait résolu dans le train. Pendant la guerre, en suivant une procédure à peu près identique à celle qui toujours utilisée aujourd'hui, les Nazis séparaient l'eau lourde de l'eau ordinaire en la soumettant à un vide quasi absolu, à des températures approchant du zéro absolu, c'est à dire - 273 ºC degrés, des conditions similaires à celles rencontrées dans l'espace et qui favorisent la formation de l'eau lourde. La théorie cosmologique actuelle pense que le système solaire est né au moment ou une nébula, un nuage de gaz interstellaire géant, s'est condensé sous l'effet de sa propre masse et a formé une étoile chaude en fusion au centre d'un disque de particules et de gaz,  à partir desquels les planètes finissent par se former au bout de plusieurs millions d'années. Reeves effectua le calcul et détermina que la pression et la température du disque solaire près de l'orbite terrestre pourrait favoriser un type de réaction chimique similaire à celle utilisée pour la production du deutérium pour l'industrie nucléaire. Le processus est beaucoup plus lent dans l'espace, mais l'échelle temporelle est exacte - à peu près dix millions d'années -  une durée bien suffisante pour expliquer la différence du simple au quintuple.

Reeves descendit du train et lorsqu'il vit Geiss qui était venu à sa rencontre à la gare, il lui dit : « Tu sais, ton problème avec l'abondance d'hydrogène lourd? Je pense que je l'ai résolu. »

«  Ah, tu as une théorie!  Et bien moi aussi j'en ai une ! » déclara Geiss. Il s'avéra que les deux physiciens étaient parvenus à la même conclusion mais d'une manière légèrement différente. Au bout du compte, le prix Einstein 2001 leur fut accordé pour cette expérience et la théorie d'estimation de la densité de matière ordinaire dans l'espace, qui avait été publiée pour la première fois en 1971. Leurs prédictions ont depuis été confirmées à de nombreuses reprises et les résultats qu'ils avaient obtenus sont toujours extrêmement proches des observations actuelles. 

Reeves aime rappeler aux gens qu'il est possible de faire d'époustouflantes découvertes scientifiques n'importe où et à n'importe quel moment.  « Aller au cinéma peut vous aider à faire de la physique » déclare Reeves.

Le jeune scientifique...

À l'âge de six ans, Hubert Reeves allait souvent avec sa famille rendre visite au Père Louis Marie, un ami de sa mère.  Le Père Marie était un moine trappiste, qui vivait au monastère d'Oka, au Québec. Naturaliste et généticien, le Père Marie laissait Reeves tourner les pages de son fabuleux herbier, un livre géant comportant des spécimens de plantes séchées. Reeves faisait de longues promenades dans les bois avec le vieux naturaliste, qui apprenait au jeune garçon comment reconnaître les plantes et les fleurs. 

Dans la 10ème classe (vers l’âge de 15,16 ans), le professeur de physique de Reeves emmena toute la classe sur le toit de l'école, afin de fabriquer un télescope permettant d'observer les taches du Soleil.  Ils disposaient d'un support appelé banc optique, permettant de maintenir un alignement précis des lentilles, deux lentilles et une formule mathématique. Grâce à un peu de math et quelques mesures, ils étaient supposés régler les lentilles et pointer l'ensemble vers le Soleil afin de faire apparaître une image sur la plaque de vision --  une feuille de papier blanc.  Après un petit moment de fignolage, un disque lumineux et brillant apparut au centré sur le papier, avec une série de points noirs clairement visibles au milieu de l'image rayonnante.

« Voir les taches du Soleil fut merveilleux pour moi. C'était comme de la magie » raconte Reeves. Il était stupéfait qu'avec quelques calculs et un peu de bricolage il fut possible de révéler l'invisible et il imagina l'émotion qu'avait dut ressentir Galilée lorsqu'en 1610 un système similaire lui permit de voir les lunes de Jupiter pour la première fois. À partir de ce moment, Reeves devint un accro de l'astronomie et de l'astrophysique.

Reeves continua ses études à l'Université de Montréal et à la Cornell University de New York. Il travailla plusieurs années comme professeur à l'Université de Montréal, mais en 1965 il devint chercheur de pointe pour le CNRS (Centre Nationale de la Recherche Scientifique) à Paris, en France. Il est toujours professeur associé à l'Université de Montréal où il enseigne tous les ans. Reeves possède la double nationalité : canadienne et française. Il est président de la Ligue ROC pour la préservation de la faune sauvage, une association française qui se consacre à la protection des animaux sauvages.

La science

Reeves est un astrophysicien, un physicien nucléaire qui étudie les réactions thermonucléaires dans le cœur des étoiles, comment les étoiles naissent, comment se produit la création chimique des éléments qui les composent, et comment les étoiles meurent.  Le but ultime de Reeves est de découvrir l'origine et le destin de l'énergie libre dans l'univers. Un astrophysicien est un physicien nucléaire dont étudie des réactions thermonucléaires dans les noyaux tient le premier rôle, comment tient le premier rôle sont soutenus, comment tous éléments chimiques sont créés dans eux et comment ils meurent. Finalement, les premiers magistrats essayent de découvrir l'origine et le destin de l'énergie libre dans l'univers.

Reeves estime que la théorie du big bang et d'un univers en expansion est la découverte scientifique la plus importante du 20ème siècle.  Avant cette découverte les scientifiques - de Aristote à Einstein - considéraient le cosmos comme statique et inchangé, comme déconnecté de l'explosion de vie sur la Terre.  Les questions concernant la formation des objets stellaires étaient considérés comme sans importance ou au delà de la portée scientifique. Mais nous savons maintenant que l'univers a une histoire, et Reeves se considère comme une sorte d'historien de l'univers. « Au départ je suis surtout un physicien nucléaire », déclare Reeves, « mais la centaine d'éléments chimique s'est formée à partir de réactions nucléaires dans les étoiles.  Et mon travail consiste à essayer de découvrir comment les choses se sont passées - l'histoire de nos origines. » Reeves aime à rappeler que la Terre et tout ce qu'elle porte, y compris l'humanité, a commencé sous la forme de poussière d'étoile.

En plus du célèbre article rédigé en collaboration avec Geiss et portant sur la densité de la matière, Reeves a également contribué à expliquer exactement comment certains éléments peuvent provenir de réactions nucléaires dans l'espace. Il a en particulier élucidé les origines des éléments très légers que sont le lithium, le béryllium et le bore. La formation de tels éléments légers ne peut pas être expliqué par la fusion - la fusion de deux atomes d'hydrogène pour former l'hélium par exemple. Les étoiles sont en permanence en train de fusionner l’hydrogène et l’hélium et de les transformer en éléments de plus en plus lourds, et en général c’est la manière dont naissent à peu près tous les éléments. Le lithium, le béryllium et le bore, néanmoins, ne peuvent pas être produit de cette façon. De plus, ces trois éléments sont fragiles et se divisent facilement pour former d’autres éléments. Ils doivent donc être produits en permanence pour expliquer leur abondance actuelle dans l’univers. Mais alors, d’où viennent-ils et comment sont ils fabriqués.  La réponse est un processus appelé spallation.

 

How spallation works. Click to enlarge.

1. Les astrophysiciens estiment que la formation d'un système solaire commence avec la naissance d'un énorme nuage nébuleux de poussières tournantes. Bien que personne ne sache comment ce type de disque protoplanétaire est créée, ni la façon dont il fonctionne, les scientifiques estiment que les forces de la gravitation, peut-être causées par les ondes de choc de l'effondrement d'une étoile ou d'une supernova proche, entraînent la formation d'une étoile centrale à partir de ce nuage, sur une durée de dizaines de millions d'années. Quand une quantité d'hydrogène suffisante est présente, la gravité collective est suffisante pour causer une compression entraînant la fusion nucléaire… et une étoile est née. On estime que les planètes se forment de la même manière à partir de la poussière en orbite. Le nuage est probablement formé principalement d'hydrogène et d'hélium, ainsi que dans des proportions un peu moindres de carbone et d'oxygène. 
 

2. Hubert Reeves a démontré comment de nombreux autres éléments peuvent être créée (sur de longues périodes de temps) en raison de la collision accidentelle de protons à haute énergie, de rayons gamma ou de rayons cosmiques avec ces quelques éléments primordiaux.  Cette illustration montre comment le lithium et l'hélium peuvent être créé à partir de l'oxygène par le processus de spallation, quand l'oxygène est heurté par un proton à très haute énergie, un rayon cosmique.

Bien qu'il ait publié de nombreux livres et articles scientifiques concernant la spallation des éléments et d'autres aspects de l'astrophysique, Reeves est surtout connu, particulièrement dans le monde francophone, pour ses nombreux ouvrages de vulgarisation et pour ses programmes télévisés sur la cosmologie et l'astronomie.  Reeves peut être considéré comme la « version française » du populaire astrophysicien américain Carl Sagan, décédé en 1996. Reeves est aussi très actif dans la protection de la nature et à ce point de vue peut être comparé au biologiste canadien David Suzuki.

En tant que scientifique qui s'intéresse aux origines, Reeves est parfois mis au défi par ceux qui ont l'impression que la théorie actuellement acceptée du big bang est un mythe, similaire à celui des histoires dur la création qu'on peut trouver dans des livres religieux comme la Bible. Reeves n'utilise jamais le mot « création » lorsqu'il parle de l'origine de l'univers ou de la formation des galaxies et des étoiles. et même quand il décrit le big bang il n'utilise pas ce mot de « création ». « Création, dans le sens philosophique du terme, signifie commencer à partir de rien », déclare Reeves. Et d'après Reeves il est impossible dans la science de créer quelque chose à partir de rien. On part toujours de quelque chose qui est sensé être présent. Mais alors, d'où provient le big bang. Personne ne le sait. Reeves déclare, « j'aime à penser au big bang comme à un horizon: l'horizon de notre connaissance. Nous pouvons aller jusque là, et nous ne savons pas ce qu'il y a après. Cela ne veut pas dire que rien n'existe au-delà de l'horizon. Le big bang est pour l'instant notre limite, mais la connaissance scientifique avance et l'horizon se déplace avec les progrès de cette connaissance lors de ce processus de recherche de nos origines. »
 

Les histoires saintes de la Bible, du Coran et d'autres livres religieux sont supposées nous donner des leçons sur la vie et comment la vivre ; dans ces histoires, peu importe que le monde ait été crée en sept jours ou en 15 milliards d'années. Les livres religieux permettent de communiquer une sagesse, sur la manière de vivre ensemble. Reeves dit, « Ce sont des histoires qui sont liées au désir important de l'humanité, que la vie ait un sens.  Si la vie n'a pas de sens, on meurt. Il est impossible de vivre. » Leur rôle primordial, d'après Reeves, est d'enseigner une morale, les relations avec nos ancêtres, et comment vivre.  La science propose quelque chose d'autre.

Reeves a été élevé dans la religion catholique. Il ne pense pas que la Bible doive être interprété de façon littérale comme un livre scientifique. « La science est robuste », dit Reeves. « J'ai des bases pour prouver ce que j'explique quand je déclare quelque chose dans des articles scientifiques. Ce n'est pas quelque chose que j'invente - une histoire qui sort de mon esprit en attendant que j'en invente une autre demain. » La force de la science, d'après Reeves, est de pouvoir dire - quand on nous demande si nous croyons à la théorie du big bang - que les scientifiques peuvent indiquer un certain nombre d'observations et de mesures physiques qui confirme le scénario du big bang.  Mais ce qui est encore plus important est une caractéristique de la science appelée prédiction. Une « histoire » scientifique n'est pas suffisante si elle se contente de rappeler ce que nous avons observé. La science doit aussi prendre le risque de prédire quelque chose de nouveau, quelque chose qui n'a jamais été observé auparavant. Une nouvelle expérience est conçue pour tester cette prédiction et de nouvelles observations sont faites. Si ces observations correspondent à ce qu'on s'attendait à constater, la théorie est renforcée.

Reeves indique comme exemple une série d'expériences récentes conçues pour résoudre le problème des neutrinos solaires. Les neutrinos sont des particules sans charge électrique et, croyait-on il y a peu de temps encore, pas de masse. Elles sont donc très difficiles à déceler parce qu'elles traversent toutes matières sans interaction ou une interaction très limitée.  On sait qu'il existe trois sortes différentes de neutrinos. Le soleil émet un type de neutrinos appelé neutrino électron. Des expériences précédentes ont permis de découvrir que le Soleil émettait un tiers en moins de neutrinos électrons que ce que les scientifiques s’attendaient à découvrir, en se basant sur ce que les astrophysiciens croient connaître de la combustion du soleil. C'est le problème du neutrino solaire. « Soit nous ne connaissons pas assez bien le soleil, soit nous ne connaissons pas le neutrino » déclare Reeves.

Il s'est avéré que c'était le neutrino. Après presque dix ans de préparation, une expérience permettant de détecter les neutrinos solaires avec une sensibilité beaucoup plus grande qu'auparavant a été réalisée à grande profondeur, dans une mine abandonnée de Sudbury, dans l'Ontario (le détecteur est situé à deux kilomètres sous la surface terrestre, afin de le protéger des rayons cosmiques qui donneraient des résultats faussement positifs). Les chercheurs ont fait une découverte stupéfiante. Il s'avère que les neutrinos solaires peuvent changer de nature lors de leur route du soleil jusqu'à la Terre.  « Les neutrinos peuvent se transformer en d'autres formes, comme les personnages des Pokémons », dit Reeves. Le soleil émet des neutrons électrons mais au moment où ils atteignent la Terre ceux-ci se sont transformés en neutrinos tau ou muon. Pour réaliser cette transformation ils doivent changer la façon dont ils vibrent, et pour ce faire ils doivent avoir une masse. Pas beaucoup, juste un millionième de la masse d'un électron.  Reeves dit : « Cette expérience nous explique que notre modèle de la combustion du soleil est correct, mais nous avons appris quelque chose de nouveau sur les neutrinos, et les physiciens doivent désormais incorporer ces idées nouvelles à leurs théories. »

Des expériences nouvelles sont toujours réalisées aujourd’hui afin d'en apprendre plus sur nos origines. En septembre 2004, la mission spatiale Génésis de la NASA a rapporté un assez gros échantillon de vent solaire sur terre, après deux années de récolte passées près du soleil, à 1,5 million de kilomètres de la terre. C"est comme avoir un morceau de Soleil sur Terre. Les scientifiques croient que ces échantillons nous apprendront de quoi était composé le disque de nébula solaire originelle il y a cinq milliards d'années. Malheureusement, le parachute du module de retour de Génésis ne s'est pas ouvert et le module s’est écrasé dans le désert de l'Utah à environ 300 km/heure. Le système de récolte des échantillons était tordu et fissuré, mais toujours intact. Malgré ce faux-pas, les scientifiques espèrent toujours en apprendre plus sur les origines de notre système solaire grâce à cette expérience.
 

Mystère

Seuls 5% de l’univers sont composés de matière connue. 25% est de la matière noire. 70% est de l'énergie noire, une force de répulsion qui fonctionne sur de très grandes distances intergalactiques. Nous ne savons rien de l'une ni de l'autre. En d'autres mots, nous ne savons rien de ce qui compose 95% de l'univers.

Lectures d’approfondissement

Articles originaux de Hubert Reeves concernant ce qui est décrit dans ce chapitre. Ces articles peuvent être trouvés dans de grandes bibliothèques universitaires ou publiques.
 

Hubert Reeves, et al., La plus belle histoire du monde (published in English as Origins: Speculations on the Cosmos, Earth and Mankind), Editions du Seuil, 2004.

J. Geiss and H. Reeves, 1972, Astr. Ap. 18, 126.

H. Reeves, W. A. Fowler and F. Hoyle, Nature (London),1970, pp. 226, 727.

Le site Internet de la NASA concernant l’expérience sur le vent solaire : The 1971 Apollo 14 Solar Wind Composition Experiment.

La mission Génésis de la NASA : à la recherche des origines, Genesis Mission.

Apprenez comment fabriquer un télescope, par Fun Science Gallery.

Plus d’informations sur la spallation et les rayon cosmiques au site web de Macalester College.

Carrière

Carrière : alors comme ça vous souhaitez devenir astrophysicien

Reeves aime indiquer deux points importants dans une carrière scientifique. Il peut sembler au premier abord que toute la physique est basée sur des équations mathématiques, et c'est cette base théorique qui fascina en effet Hubert Reeves dans sa jeunesse. Il était stupéfait de voir comment, en réfléchissant et en effectuant des calculs, il était possible de prédire d'une façon si exacte la position des étoiles, des planètes, des atomes et plus encore. Mais plus tard il réalisa qu'il y avait plus que cette base théorique. Quelque chose doit précéder les chiffres et la théorie. Ce facteur manquant, c'est l'observation. « Il faut toujours commencer par une observation » dit Reeves. « Les mathématiques seules ne peuvent rien faire pour découvrir le monde réel. Elles ne peuvent même pas vous dire quel est le nombre de dimensions que vous ressentez ». D'après Reeves, l'observation vient avant la théorie. Au bout du compte, la théorie nous permet d'effectuer les calculs qui mènent à de nouvelles observations qui confirment ou améliorent la théorie. C'était ce « dialogue » entre ce que nous voyons et ce que nous pensons qui fascina Reeves, et il pense que cela devrait être la force motrice à la base de toute carrière scientifique.

Les carrières typiques du monde de la physique comprennent des spécialisations comme l'électronique, les communications, l'aérospatiale, ou la détection à distance; biophysique, nucléaire, optique, physique du plasma ou des solides, l'astrophysique et la cosmologie. Certains physiciens se consacrent principalement à l'expérimentation et d'autres à la théorie.

Idées de carrière:

  • scientifique de recherches de •, physique
  • scientifique de recherches de •, l'électronique
  • scientifique de recherches de •, communications
  • scientifique de recherches de •, aérospatial
  • scientifique de recherches de •, télédétection
  • physicien nucléaire de •
  • physicien de systeme optique de •
  • physicien de plasma de •
  • physicien à semi-conducteurs de •
  • astrophysicien de •
  • cosmologue de •
  • physicien expérimental de •

La personne

Date de naissance
13 juillet 1932
Lieu de naissance
Montréal, Québec
Résidence
Paris, France
Membres de famille
  • Mère : Manon Beaupré
  • Père : Joseph-Aimé
  • Épouse : Camille Scoffier
  • Enfants : Gilles, Nicolas, Benoît, Evelyne
  • Petits-enfants : cinq
Personnalité
Sympathique, réservé, charmant
Musique préférée
Quintette en Ut mineur de Schubert, deuxième mouvement
D'autres intérêts
Randonnée pédestre
Titre
Professeur agrégé
Bureau
Université de Montréal, Observatoire de Paris à Meudon
Situation
Semi-retired
diplomes
  • BSc Université de Montréal, 1953
  • MSc Université McGill, Montréal 1955
  • PhD Université Cornell, New York, 1960
Recompenses
  • Chevalier de la Légion d’Honneur (France) 1986
  • Grand prix de la francophonie, 1989
  • Prix Einstein, Einstein Society, Berne 2001
Mentor
Le Père Louis Marie, ami de la famille lors de son enfance, généticien et botaniste qui connaissait tout sur les forets. Philip Morrison, physicien de l'Université de Cornell qui associait la culture, la science et la littérature avec l'enthousiasme pour la nature de la réalité.
Dernier mis à jour
8 avril 2015
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