température critique

Un cristal d'iodure de sodium dopé au thallium, c'est comme un film photographique pour particules invisibles. Lorsqu'un quantum gamma ou une hypothétique particule de matière noire le frappe, il émet une faible lueur. Deux photomultiplicateurs en silicium, plaqués contre les extrémités du cristal, capturent cette lueur des deux côtés.

Tout a commencé par une étirement. Dans les premières fractions de seconde, l'Univers s'est gonflé — les physiciens appellent cela l'inflation. Puis l'expansion rapide a cédé la place à une phase où l'énergie du champ s'est transformée en particules ordinaires.

L'Univers ressemble à une immense charpente invisible. Nous ne la voyons pas directement, mais nous savons qu'elle existe : c'est grâce à elle que les galaxies et les amas tiennent ensemble. Cette charpente, c'est la matière noire. La version la plus populaire dit qu'elle est « froide » et qu'elle est constituée de particules lourdes et lentes.

Une casserole de colle très épaisse et brûlante — voilà à quoi ressemblait l'Univers primordial. Ce n'était pas de la colle ordinaire, mais une « soupe de gluons » : les particules qui transmettent l'interaction forte (les gluons) se déplaçaient librement dans l'espace.

Depuis que Fritz Zwicky a remarqué que les amas de galaxies se déplacent trop vite, et que Vera Rubin a mesuré la rotation des bras spiraux, la matière noire reste la grande énigme de la cosmologie.

Le bouillon brûlant de l'Univers primordial s'est refroidi de manière inégale. À un moment donné, des bulles de nouvelle phase ont commencé à éclater – comme des bulles de vapeur dans l'eau qui bout. Seulement, ces bulles n'étaient pas faites de vapeur, mais d'un nouvel état de la matière, dans lequel les particules du secteur sombre se sont agglutinées en amas plus gros.

La cuisine cosmologique regorge d'ingrédients invisibles. La matière noire, tel un squelette invisible, empêche les galaxies de s'éparpiller, tandis que l'énergie noire, comme la levure dans la pâte, fait accélérer l'expansion de l'espace.

Au centre de nombreuses galaxies se cache un halo invisible de matière noire — il retient les étoiles aux confins, les empêchant de s'éparpiller. Longtemps, on l'a décrit comme un gaz de particules raréfié, mais une nouvelle étude propose une autre vision : la matière noire pourrait se rassembler en une goutte quantique.

Une casserole d'eau bout toujours de la même manière : cent degrés, et les bulles apparaissent. Avec les liquides quantiques, c'est différent. Lorsqu'un nuage d'atomes est refroidi presque jusqu'au zéro absolu, il peut se transformer en une onde de matière unique — le condensat de Bose-Einstein.

Un ressort comprimé reste immobile pendant des années. On croirait qu'il est figé pour toujours, mais à l'intérieur du métal, les atomes se réarrangent lentement — et un jour, le ressort claque, passant à une nouvelle position, plus libre.

Lorsqu'une étoile massive épuise son carburant, son cœur s'effondre sous sa propre gravité. À l'intérieur se forme un trou noir — une région où la gravité est si forte que même la lumière ne peut s'en échapper. On a longtemps pensé qu'au centre se cachait un point de densité infinie — la singularité.

Le thé chaud placé dans le congélateur ne se couvre pas immédiatement de glace. D'abord, de minuscules aiguilles de glace s'y agitent — elles apparaissent et fondent, jusqu'à ce que la température baisse suffisamment pour que la glace prenne solidement. C'est à peu près ce qui s'est passé dans l'Univers primordial lorsqu'il refroidissait et modifiait sa structure interne.

Une étoile à neutrons est le noyau mort d'une étoile massive, comprimé à la taille d'une ville. Une cuillère à café de sa matière pèse autant qu'une montagne.

L'eau dans une tasse refroidit en quelques minutes. Le gaz dans une pièce la remplit uniformément en quelques secondes. Mais si l'on confine des atomes dans un tube de l'épaisseur d'un rayon laser et qu'on les excite vigoureusement, ils mettront plusieurs secondes à « refroidir » vers l'équilibre — une éternité à l'échelle atomique.

Au centre d'un trou noir se trouve la singularité, le point où la courbure de l'espace-temps devient infinie. Les trous noirs peuvent changer d'état, tout comme l'eau gèle ou bout. Habituellement, on détecte ces transformations en observant le comportement des environs du trou.

On considère généralement l'énergie noire comme une propriété innée du cosmos, agissant dès les premiers instants. Mais un nouveau modèle suggère qu'elle se comporterait comme l'eau au point d'ébullition : longtemps imperceptible, puis s'activant soudainement à un moment critique.

Une chaîne d'atomes chauffée, alignés en ligne, se comporte comme un minuscule trou noir. Cette chaîne est une rangée de particules, chacune ressemblant à un petit aimant. À température ordinaire, les petits aimants se retournent de manière chaotique, mais si on les refroidit, ils s'alignent dans un ordre unique.

De l'eau dans une casserole qui, au lieu de bouillir, se transformerait en glace. C'est à peu près ce que font des atomes ultrafroids dans un réseau optique — un treillis cristallin de lumière qui maintient les atomes en place.

Une étoile à neutrons est le vestige d'une étoile explosée, comprimé à la taille d'une ville. En son cœur, la matière est si dense qu'une cuillère à café de cette matière pèserait autant qu'une montagne. À une telle densité, comme le prédit la théorie des interactions fortes, les particules acquièrent des « jumeaux » – des partenaires de parité.

Au milieu du XXe siècle, l'astronome Vera Rubin a découvert que les étoiles aux confins des galaxies se déplacent trop vite — une masse invisible les retient. C'est ainsi qu'est né le mystère de la matière noire. Elle n'émet pas de lumière, mais se manifeste par la gravitation.

Un film magnétique, découpé en minuscules cellules-flèches, se comporte comme une foule sur une place. Tant qu'il fait froid, toutes les flèches pointent dans la même direction — un ordre parfait. Chauffez le film, et les flèches se mettent à s'agiter, comme des passants qui ont perdu leur but.

Dans certains matériaux, le courant électrique circule sans la moindre résistance. Ce sont les supraconducteurs, et ils ne fonctionnent que par grand froid. Les oxydes de cuivre sont un cas particulier : ils conservent la supraconductivité à des températures plus élevées, mais pourquoi ?

La lumière émise par les minuscules cristaux de pérovskite évoque une chorale où les voix se font entendre tantôt en solo, tantôt en duo harmonieux. Jusqu'ici, ce duo ne pouvait être capté qu'à très basse température, presque au froid cosmique. Désormais, la chorale chante à température ambiante.

Une cage de soixante atomes de carbone, semblable à un ballon de football, laisse entrer de petites molécules. Les fullerènes, ces billes de carbone, sont empilés en cristal comme des oranges dans une caisse — il reste des vides entre eux.

Le refroidissement met généralement de l'ordre : l'eau se fige en glace. Mais dans le monde quantique, l'ordre prend des formes inattendues. Les expérimentateurs ont refroidi des polaritons — des particules qui sont à la fois lumière et matière — presque jusqu'au zéro absolu.

Dans les premiers instants, l'Univers a traversé une période brève mais tumultueuse — l'inflation — où il s'est étendu à une vitesse colossale. Cette idée a été proposée par Alan Guth. C'est alors que les particules de matière ordinaire sont nées.

La matière noire, cette charpente invisible du cosmos, a révélé son existence par les tourbillons des galaxies à Fritz Zwicky et Vera Rubin. De quoi est-elle faite ? C'est resté une énigme pendant un demi-siècle. Une nouvelle hypothèse dresse un tableau inhabituel.

Un thermomètre plongé dans un échantillon ne donne généralement que la température. Mais si la température oscille légèrement et que l'échantillon répond avec un retard, cette réponse recèle bien plus : la partie imaginaire de la capacité thermique, qui, semble-t-il, sait entendre l'écho quantique du temps.

Dans les laboratoires terrestres, on obtient un condensat de Bose-Einstein en refroidissant un nuage d'atomes à des milliardièmes de kelvin. Les atomes perdent leur individualité et se fondent en une seule onde quantique qui se comporte comme un tout.

Deux télescopes regardent le même Univers et voient des vitesses différentes. Les mesures locales sur les supernovae donnent 73.04 ± 1.04 km/s/Mpc, tandis que les données du fond diffus cosmologique, dans le modèle standard, prédisent 67.36 ± 0.54.