Vous pensez que c’est une citation d’un roman de science-fiction ? Et bien pas du tout. C’est une publication d’Elon Musk pas plus tard qu’avant-hier 3 janvier sur son réseau social X (ex-Twitter). Le milliardaire américain parlait de Starship, le vaisseau spatial réutilisable de sa société SpaceX qui a récemment changé la donne sur le transport spatial.
Il répondait à Peter Hague, astrophysicien et ingénieur informatique. Ce dernier considère que le débat sur le sujet oppose les partisans d’un habitat humain soit martien soit spatial, et que la compétition entre les deux permet l’accélération des deux « marchés » pour qu’ils se concrétisent. Mais dans ce projet, il voit un écueil pour Starship, qui nécessite 6 ravitaillements pour se rendre sur Mars, il calcule ainsi que la charge du vaisseau sera constitué en masse de 69 % d’oxygène liquide. Continuant son raisonnement, il rappelle que le régolithe lunaire contient 40 % d’oxygène en masse et pourrait être un marché convoité par Elon Musk comme étape vers Mars.

On le voit, les réflexions sont concrètes. Et c’est normal, le milliardaire voyant à un horizon de deux an le premier voyage de Starlink vers mars, certes reporté puisqu’il l’espérait pour 2024 il y a 4 ans.

La conquête de Mars dans la science-fiction

Elon Musk a récemment refixé publiquement son objectif martien très court-terme, ce qui n’a pas échappé aux médias qui pour certains, laissent penser que le fantasque milliardaire est un illuminé qui baigne dans la science-fiction. Pour les amateurs de ce pan très riche de la littérature, il n’y a en effet pas de surprise dans le principe. De nombreux auteurs ont abordé la conquête de Mars, et on pense parmi eux au regretté américain Ben Bova, avec son roman « Colonie » (1978), puis « Mars » (1992) premier tome de la série « Le Grand Tour » véritable saga en 15 volumes qui nous raconte la conquête des planètes du système solaire à commencer par la planète rouge. Nous, lecteurs assidus de longue date du genre, avons donc plutôt une impression de déjà vu, plutôt de déjà lu sur les défis techniques de ces voyages dans l’espace et de ce que l’on appelle la terraformation, à savoir rendre habitable une planète ou un satellite pour l’humain. Mais la science-fiction c’est aussi au cinéma, et plus nombreux sont ceux qui évoqueront des films comme par exemple l’excellent « Total Recall » (1990) de Paul Verhoven avec Arnold Schwarzenegger : Mars y est un lieu de séjour pour les Terriens, via navette spatiale bien affrétée. Un film tissu du cultissime et génial auteur de science-fiction Philip K. Dick dont notre bibliothèque est pleine. Dans cette histoire, a terraformation de Mars a des objectifs inavouables. Or le plus souvent, la littérature en la matière évoque une nécessité de survie pour l’humanité. Et c’est bien là la motivation d’Elon Musk. Remettons donc les pieds sur Terre pour du concret.

La conquête de Mars justifiée par la science ?

Quitter la Terre pour survivre est-il nécessaire ? La question est scientifiquement valide, tant notre planète est mal en point : chute de la biodiversité vitale avec disparition qui s’accélère des espèces en lien avec le réchauffement climatique et la pollution, risques pandémiques, risques géopolitiques amenant l’épée de Damoclès des guerres chimiques et nucléaires, ou encore, plus hypothétique, l’impact d’une météorite. Et pourquoi pas d’une visite hostile d’intelligences extra-terrestres. Complètement idiot les méchants aliens du type de ceux de « La guerre des mondes » (roman de H.G. Wells, 1998) ou justement « Mars Attacks! » (film de Tim Burton en 1996) ? Scientifiquement non sur la base qu’il est très probable que l’univers soit peuplés de créatures extra-terrestres. L’intérêt qu’elles pourraient avoir pour notre planète au point de l’attaquer semble toutefois discutable. Ainsi, du point de vue rationnel et sur la base de l’évaluation des risques, à la base de nombreux calculs en science, il paraît normal, pour assurer la survie de l’humanité, de chercher à ne pas être « scotché » définitivement à notre fragile planète bleue. L’astrophysicien Peter Hague, on l’a vu, semble l’avoir intégré, passant au stade ultérieur du questionnement : habitat extra-terrestre spatial ou terraformation ? L’un n’empêche pas l’autre, mais on est évidemment plus avancé dans les stations spatiales habitables avec l’expérience de la Station orbitale internationale (ISS), placée en orbite terrestre basse. Elle accueille des astronautes pour des résidences plus ou moins longues.

SpaceX : le planning pour coloniser Mars

Le projet d’Elon Musk est donc celui de la terraformation de Mars, pour y établir des colonies. Le but ultime est de rendre l’humanité « multiplanétaire », dit-il, pour lui permettre de survivre. Comme nous l’avons précédemment, pour lui continuer avec tous les œufs (les humains) dans le même sac (la Terre) n’est scientifiquement pas raisonnable si l’on ne veut pas que l’humanité disparaisse. Le milliardaire a un objectif d’établissements d’une colonie humaine sur Mars de un million d’habitants à l’horizon 2050. Elle comporterait une ville évidemment totalement auto-suffisante. Pour y parvenir, Elon Musk prévoit donc des vols StarShip pour Mars non habités dans moins de 2 ans (2026). L’enjeu technique dans ce cadre est de maîtriser l’atterrissage automatique sur la planète rouge. Il prévoit une maîtrise de l’exercice en deux ans, ce qui permettrait d’envoyer une première mission StarShip sur mars dès 2028. Il restera alors une vingtaine d’année pour atteindre l’objectif de la construction de la ville martienne autonome. L’investissement est énorme, avec notamment des milliers de vaisseaux StarShip dont les trajets s’intensifient pour peupler la planète rouge à l’horizon 2050. Il faudra aussi développer des technologies inédites en milieu lointain et hostile à la vie, en créant des dômes habitables sur Mars pour créer une atmosphère et autres conditions vivables pour les humains. Mais aussi, de façon essentielle : fabriquer du carburant pour permettre les vols Mars-Terre. Le modèle économique de SpaceX est bien sûr basé sur les vaisseaux spatiaux réutilisables, amenés à faire la navette comme le font les compagnies aériennes avec leurs avions.

Un billet Terre-Mars pour 100 000 dollars ?

Si le patron de SpaceX a évoqué à l’origine le prix d’un million de dollars, il parle aujourd’hui l’espoir d’un prix baissant progressivement, et au final drastiquement pour atteindre 500 000 dollars puis 100 à 200 000 dollars, et beaucoup moins encore si possible. Il exprime la volonté d’une réduction des tarifs au maximum, mais il n’en maîtrise aujourd’hui pas encore les paramètres qui dépendront du rythme de la mission et des avancées technologiques, notamment sur la fabrication du carburant.

Même « topo » pour la durée du voyage. Actuellement, il faudrait compter 6 à 8 mois pour le trajet sur la base de la technologie actuellement utilisée. Elle peut évoluer, et le devrait. Elon Musk a évoqué la propulsion nucléaire ou encore les moteurs ioniques, qui pourraient radicalement changer la vitesse de propulsion et la durée des voyages. La charge utile du vaisseau est aussi un facteur qui influence la durée du parcours. Avec une charge utile maximale, Elon Musk pense à ce jour pouvoir permettre des trajets d’une durée de moins de 3 mois.

La communauté scientifique émet des doutes parfois virulents sur la faisabilité de ce projet. On mettra cela en regard de doutes de même nature et de scepticisme quand Elon Musk a annoncé que son vaisseau SpaceX serait réutilisable, et sous peu. Beaucoup de scientifiques n’y croyaient pas et se moquaient de ses délais courts. Ils se sont complètement trompés.

Alors, Life on Mars? Si vous aussi cela vous a mis la chanson de David Bowie dans la tête, voici une magnifique version de Keren Ann accompagnée d’un quatuor à cordes.

Illustration : Grok, IA générative développée par X (ex Twitter)

Illustration d’en-tête : détail de la peinture « Le bain » (1903) de Tony Robert-Fleury – Ville de Grenoble © Musée de Grenoble – J.L. Lacroix – Sélection par le Musée des Arts Décoratifs
Crédit photos incluses dans l’article : Alain Girodet @ Musée des Arts Décoratifs

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La gravité lie nos corps à la planète Terre, mais elle ne définit pas les limites de l’esprit humain en pleine expansion. En novembre 1915 – il y a un siècle – la preuve en a été faite lorsqu’Albert Einstein, dans une série de conférences données à l’Académie des sciences de Prusse, a présenté une théorie qui allait révolutionner notre façon de voir la gravité. et la physique elle-même.

Pendant deux siècles, la théorie de la gravitation universelle de Newton, remarquablement simple et élégante, avait semblé bien expliquer la question. Mais, comme c’est de plus en plus souvent le cas en physique, la simplicité n’est plus de mise.

Le point de départ d’Einstein pour la relativité générale était sa théorie de la relativité restreinte, publiée en 1905. Cette théorie explique comment formuler les lois de la physique en l’absence de gravité. Au centre de ces deux théories se trouve une description de l’espace et du temps différente de celle que le bon sens suggère.

Les théories expliquent comment interpréter le mouvement entre différents endroits qui se déplacent à des vitesses constantes les uns par rapport aux autres, plutôt que par rapport à une sorte d’Éther absolu (comme Newton l’avait supposé). Bien que les lois de la physique soient universelles, différents spectateurs verront le timing des événements différemment en fonction de la vitesse à laquelle ils voyagent. Un événement qui semblerait prendre 1 000 ans vu de la Terre peut sembler ne prendre qu’une seconde pour quelqu’un dans un vaisseau spatial voyageant à grande vitesse.

Au centre des théories d’Einstein se trouve le fait que la vitesse de la lumière est indépendante du mouvement de l’observateur qui mesure cette vitesse. C’est étrange, car le bon sens suggère que si vous êtes assis dans votre voiture le long d’une voie ferrée, un train qui passe vous semblera se déplacer beaucoup plus vite que si vous le suiviez dans la même direction. En revanche, si vous êtes assis et que vous regardez passer un faisceau lumineux, celui-ci se déplacera à la même vitesse, que vous le suiviez ou non, ce qui indique clairement que le bon sens ne fonctionne pas.

L’implication de cette théorie est que nous devons abandonner l’idée qu’il existe un temps universel, et accepter que le temps enregistré par une horloge dépende de sa trajectoire lors de son déplacement dans l’univers. Cela signifie également que le temps passe plus lentement lorsque l’on va vite, ce qui veut dire qu’un jumeau qui part dans l’espace vieillira plus lentement que son frère ou sa sœur restés sur Terre. Ce « paradoxe des jumeaux » peut sembler être une bizarrerie mathématique, mais il a en fait été vérifié expérimentalement en 1971, lors d’une expérience utilisant des horloges atomiques sur des vols commerciaux.

La relativité restreinte ne fonctionne que pour les cadres inertiels qui se déplacent l’un par rapport à l’autre à vitesse constante – elle ne peut pas décrire ce qui se passe s’ils accélèrent. Einstein s’est demandé comment l’étendre pour inclure une telle accélération et tenir compte de la gravité, qui provoque une accélération et qui est, après tout, partout.

Il s’est rendu compte que l’effet de la gravité disparaît si l’on n’essaie pas de la surmonter. Il a imaginé des personnes dans un ascenseur dont le câble s’était rompu en chute libre et a calculé que, puisque les objets flottaient soit immobiles, soit à vitesse constante, les personnes ne ressentaient pas la gravité. Aujourd’hui, nous savons que c’est vrai, car nous l’avons constaté nous-mêmes chez des personnes dans la station spatiale internationale. Dans les deux cas, aucune force ne s’oppose à l’effet de la gravité et les personnes ne ressentent aucune gravité.

Einstein s’est également rendu compte que l’effet de la gravité est le même que l’effet de l’accélération ; rouler à grande vitesse nous pousse vers l’arrière, comme si la gravité nous tirait. Ces deux indices ont conduit Einstein à la relativité générale. Alors que Newton considérait la gravité comme une force se propageant entre les corps, Einstein l’a décrite comme une pseudo-force ressentie parce que l’ensemble du tissu entrelacé de l’espace et du temps se plie autour d’un objet massif.

Einstein lui-même avait déclaré que son chemin était loin d’être facile. Il écrivit : « De toute ma vie, je n’ai jamais travaillé aussi dur, et je me suis imprégné d’un grand respect pour les mathématiques, dont la partie la plus subtile était jusqu’à présent considérée comme un pur luxe par mon esprit simple ».

Les preuves

Dès qu’Einstein a découvert la relativité générale, il a réalisé qu’elle expliquait l’incapacité de la théorie de Newton à rendre compte de l’orbite de Mercure. L’orbite n’est pas tout à fait circulaire, ce qui signifie qu’il existe un point où la planète est la plus proche du soleil. La théorie de Newton prédit que ce point est fixe, mais l’observation montre qu’il tourne lentement autour du soleil et Einstein a découvert que la relativité générale décrit correctement cette rotation.

« J’étais fou de joie et d’enthousiasme », écrivait-il quelques mois plus tard. Depuis lors, la relativité générale a passé avec brio de nombreux tests d’observation.

Vous utilisez la relativité générale chaque fois que vous faites appel au système GPS pour connaître votre position sur la surface de la Terre. Ce système émet des signaux radio en provenance de 24 satellites et le récepteur GPS de votre téléphone ou de votre voiture analyse trois de ces signaux ou plus pour déterminer votre position en utilisant la relativité générale. Si vous aviez utilisé la théorie de Newton, le système GPS aurait donné une position erronée.

Mais si la relativité générale fonctionne bien pour décrire le monde physique à grande échelle, la mécanique quantique s’est imposée comme la théorie la plus aboutie pour les particules minuscules telles que celles qui composent un atome. Tout comme les théories de la relativité, la mécanique quantique est contre intuitive. Il reste à voir s’il est possible d’unir les deux, mais il est peu probable que cela réintroduise du bon sens dans la physique.

Pour aller plus loin

Texte paru initialement en anglais dans The Conversation, traduit par la Rédaction. La traduction étant protégée par les droits d’auteur, ce article traduit n’est pas libre de droits. Nous autorisons la reproduction avec les crédits appropriés : « Citizen4Science/Science infuse » pour la version française avec un lien vers la présente page.

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On prétend souvent que les Grecs anciens ont été les premiers à identifier des objets qui n’ont aucune taille, mais qui sont pourtant capables de construire le monde qui nous entoure grâce à leurs interactions. Et comme nous sommes capables d’observer le monde dans des détails de plus en plus petits grâce à des microscopes de plus en plus puissants, il est naturel de se demander de quoi sont faits ces objets.

Nous pensons avoir trouvé certains de ces objets : les particules subatomiques, ou particules fondamentales, qui, n’ayant aucune taille, ne peuvent avoir aucune sous-structure. Nous cherchons maintenant à expliquer les propriétés de ces particules et travaillons à montrer comment elles peuvent être utilisées pour expliquer le contenu de l’univers.

Il existe deux types de particules fondamentales : les particules de matière, dont certaines se combinent pour produire le monde qui nous entoure, et les particules de force – dont l’une, le photon, est responsable du rayonnement électromagnétique. Ces dernières sont classées dans le modèle standard de la physique des particules, qui théorise la manière dont les éléments de base de la matière interagissent, sous l’effet des forces fondamentales. Les particules de matière sont des fermions tandis que les particules de force sont des bosons.

Particules de matière : quarks et leptons

Les particules de matière sont divisées en deux groupes : les quarks et les leptons – il y en a six, chacun ayant un partenaire correspondant.

Les leptons sont divisés en trois paires. Chaque paire comprend une particule élémentaire chargée et une particule sans charge, beaucoup plus légère et extrêmement difficile à détecter. La plus légère de ces paires est l’électron et l’électron-neutrino.

L’électron chargé est responsable des courants électriques. Son partenaire non chargé, appelé électron-neutrino, est produit en abondance dans le soleil. Ces derniers interagissent si faiblement avec leur environnement qu’ils traversent sans encombre la Terre. Un million d’entre eux traversent chaque centimètre carré de votre corps chaque seconde, jour et nuit.

Les électrons-neutrinos sont produits en nombre inimaginable lors des explosions de supernovae et ce sont ces particules qui dispersent dans l’univers les éléments produits par la combustion nucléaire. Ces éléments comprennent le carbone dont nous sommes faits, l’oxygène que nous respirons et presque tout ce qui existe sur terre. Par conséquent, malgré la réticence des neutrinos à interagir avec d’autres particules fondamentales, ils sont indispensables à notre existence. Les deux autres paires de neutrinos (appelées muon et neutrino muon, tau et neutrino tau) semblent n’être que des versions plus lourdes de l’électron.

Comme la matière normale ne contient pas ces particules, il peut sembler qu’elles constituent une complication inutile. Cependant, au cours de la première à la dixième seconde de l’univers qui a suivi le Big Bang, elles ont joué un rôle crucial dans l’établissement de la structure de l’univers dans lequel nous vivons – connu sous le nom d’époque des leptons.

Les six quarks sont également répartis en trois paires aux noms fantaisistes : Les six quarks sont également répartis en trois paires aux noms fantaisistes : « up » et « down », « charmé » et « étrange », et « top » et « bottom » (précédemment appelés « vérité » et « beauté », mais malheureusement modifiés). Les quarks up et down s’assemblent pour former les protons et les neutrons qui se trouvent au cœur de chaque atome. Encore une fois, seule la paire de quarks la plus légère se trouve dans la matière normale, les paires charmé/étrange et up/bottom semblent ne jouer aucun rôle dans l’univers tel qu’il existe actuellement, mais, comme les leptons plus lourds, ils ont joué un rôle dans les premiers instants de l’univers et ont contribué à en créer un qui se prête à notre existence.

Particules de force

Il existe six particules de force dans le modèle standard, qui créent les interactions entre les particules de matière. Elles sont divisées en quatre forces fondamentales : les forces gravitationnelle, électromagnétique, forte et faible.

Le photon est une particule de lumière et est responsable des champs électriques et magnétiques, créés par l’échange de photons d’un objet chargé à un autre.

Le gluon produit la force responsable de la cohésion des quarks pour former les protons et les neutrons, et de la cohésion de ces protons et neutrons pour former des noyaux plus lourds.

Trois particules appelées « W plus », « W moins » et « Z zéro » – appelées bosons vecteurs intermédiaires – sont responsables du processus de désintégration radioactive et des processus dans le soleil qui le font briller. Une sixième particule de force, le graviton, est censée être responsable de la gravitation, mais n’a pas encore été observée.

Anti-matière : la réalité de la science-fiction

Nous connaissons également l’existence de l’antimatière. Il s’agit d’un concept très apprécié des auteurs de science-fiction, mais il existe réellement. Les particules d’antimatière ont été fréquemment observées. Par exemple, le positron (l’antiparticule de l’électron) est utilisé en médecine pour cartographier nos organes internes grâce à la tomographie par émission de positrons (TEP). Il est bien connu que lorsqu’une particule rencontre son antiparticule, elles s’annihilent toutes les deux et une explosion d’énergie est produite. Un scanner TEP est utilisé pour détecter ce phénomène.

Chacune des particules de matière ci-dessus a une particule partenaire qui a la même masse, mais une charge électrique opposée. Nous pouvons donc doubler le nombre de particules de matière (six quarks et six leptons) pour arriver à un nombre final de 24.

Nous attribuons aux quarks de matière la valeur +1 et aux quarks d’anti-matière la valeur -1. Si nous additionnons le nombre de quarks de matière et le nombre de quarks d’anti-matière, nous obtenons le nombre net de quarks dans l’univers, qui ne varie jamais. Si nous disposons de suffisamment d’énergie, nous pouvons créer n’importe quel quark de matière, à condition de créer en même temps un quark d’anti-matière. Dans les premiers instants de l’univers, ces particules étaient créées en permanence. Aujourd’hui, elles ne sont créées que lors des collisions des rayons cosmiques avec l’atmosphère des planètes et des étoiles.

Le fameux boson de Higgs

Il existe une dernière particule qui complète l’appel des particules dans ce que l’on appelle le modèle standard de la physique des particules décrit jusqu’à présent. Il s’agit du boson de Higgs, prédit par Peter Higgs il y a 50 ans, et dont la découverte au CERN en 2012 a valu un prix Nobel à Higgs et François Englert.

Le boson de Higgs est une particule étrange : c’est la deuxième plus lourde des particules du modèle standard et elle résiste à une explication simple. On dit souvent qu’il est à l’origine de la masse, ce qui est vrai, mais trompeur. Elle donne de la masse aux quarks, et les quarks constituent les protons et les neutrons, mais seuls 2 % de la masse des protons et des neutrons sont fournis par les quarks, le reste provenant de l’énergie des gluons.

À ce stade, nous avons comptabilisé toutes les particules requises par le modèle standard : six particules de force, 24 particules de matière et une particule de Higgs – soit un total de 31 particules fondamentales. Malgré ce que nous savons d’elles, leurs propriétés n’ont pas été suffisamment bien mesurées pour nous permettre d’affirmer définitivement que ces particules sont tout ce qui est nécessaire pour construire l’univers que nous voyons autour de nous, et nous n’avons certainement pas toutes les réponses. Le prochain passage du Grand collisionneur de hadrons nous permettra d’affiner nos mesures de certaines de ces propriétés – mais il y a autre chose.

Cependant la théorie est toujours erronée

La belle théorie, le modèle standard, a été testée et re-testée pendant deux décennies et plus ; et nous n’avons pas encore fait une mesure qui soit en contradiction avec nos prédictions. Mais nous savons que le modèle standard doit être faux. Lorsque nous faisons entrer en collision deux particules fondamentales, un certain nombre de résultats sont possibles. Notre théorie nous permet de calculer la probabilité qu’un résultat particulier se produise, mais aux énergies au-delà de celles que nous avons atteintes jusqu’à présent, elle prédit que certains de ces résultats se produisent avec une probabilité supérieure à 100 % – ce qui est clairement un non-sens.

Les physiciens théoriques ont déployé beaucoup d’efforts pour essayer de construire une théorie qui donne des réponses sensées à toutes les énergies, tout en donnant la même réponse que le modèle standard dans toutes les circonstances dans lesquelles le modèle standard a été testé.

La modification la plus courante implique qu’il existe des particules très lourdes non découvertes. Le fait qu’elles soient lourdes signifie que beaucoup d’énergie sera nécessaire pour les produire. Les propriétés de ces particules supplémentaires peuvent être choisies pour s’assurer que la théorie qui en résulte donne des réponses sensées à toutes les énergies, mais elles n’ont aucun effet sur les mesures qui concordent si bien avec le modèle standard.

Le nombre de ces particules non découvertes et encore invisibles dépend de la théorie à laquelle on choisit de croire. La catégorie la plus populaire de ces théories est celle des théories supersymétriques, qui impliquent que toutes les particules que nous avons vues ont une contrepartie beaucoup plus lourde. Cependant, si elles sont trop lourdes, des problèmes apparaîtront aux énergies que nous pouvons produire avant de trouver ces particules. Mais les énergies qui seront atteintes lors du prochain passage du LHC sont suffisamment élevées pour que l’absence de nouvelles particules porte un coup à toutes les théories supersymétriques.

Texte paru initialement en anglais dans The Conversation, traduit par la Rédaction. La traduction étant protégée par les droits d’auteur, ce article traduit n’est pas libre de droits. Nous autorisons la reproduction avec les crédits appropriés : « Citizen4Science/Science infuse » pour la version française avec un lien vers la présente page.

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