Les lois fondamentales de la nature vues sous le prisme de l’astrophysique

L’ensemble de l’immense complexité de la nature – de la physique, à la chimie, en passant par le monde du vivant – émerge véritablement d’un petit nombre de lois qui régissent les interactions des constituants fondamentaux de la nature – tels que les électrons, ou encore les quarks qui composent les protons et les neutrons, qui eux-mêmes constituent les noyaux atomiques. La description mathématique actuelle de ces lois fondamentales décrit 4 types d’interactions possibles : l’électromagnétisme, la force nucléaire faible, la force nucléaire forte, et la gravitation, pour lesquelles la nature intrinsèquement quantique du monde à petites échelles surimpose une seconde couche de structure mathématique.

Bien-que parfaitement en accord avec la plupart des observations, ce modèle fondamental contemporain semble ne pas pouvoir expliquer un petit nombre de phénomènes observés dans la nature, tels que, par exemple, la domination dans notre univers de la matière sur l’anti-matière. Un tel scénario s’est déjà présenté dans l’histoire : à la fin du 19^e siècle, les scientifiques pensaient pouvoir avoir une bonne description de tous les phénomènes naturels qu’ils observaient à l’exception de deux d’entre eux : la température particulière de ce qu’ils ont appelé des corps noirs, et l’avance du périhélie de la planète Mercure. Or ces deux phénomènes ne pouvaient s’expliquer dans le cadre de pensée (et mathématique) de l’époque. En effet, il aurait fallu disposer de la physique quantique et de la relativité générale. C’est entre autres pour expliquer ces anomalies (de l’époque) que le modèle contemporain a émergé de l’esprit de brillants scientifiques du 20^e siècle. Aujourd’hui, tout porte à croire que nous sommes dans une situation similaire, où une meilleure description des lois fondamentales de la nature reste à découvrir.

L’observation du cosmos est une source incommensurable de données sur ces lois. Ainsi, depuis la fin du 20^e siècle et les progrès technologiques qui l’ont accompagnée, l’astrophysique permet de sonder et de tester nos représentations mathématiques de la nature afin, dans un premier temps, d’essayer de quantifier l’adéquation de notre savoir aux phénomènes naturels, mais aussi dans l’espoir que cette démarche puisse nous servir de guide dans l’élaboration de nouvelles lois plus complètes – qui permettraient d’expliquer ce que nous ne comprenons pas à ce jour. Par exemple, l’observation récente de la fusion de trous noirs et d’étoiles à neutrons par le prisme des ondes gravitationnelles nous renseigne sur la structure de l’espace-temps, sur certains aspects de physique nucléaire, ou encore sur les processus qui ont permis de créer naturellement dans l’univers les éléments lourds du tableau de Mendeleïev (e.g. le platine) à partir d’éléments plus légers (e.g. de simples neutrons).