Décès de Isaak Khalatnikov, théoricien de la singularité du Big Bang et co-créateur avec Landau de la bombe A russe

La guerre froide a en partie séparé de grands physiciensphysiciens du XX^e siècle et certaines découvertes attribuées à des chercheurs de l'Ouest avaient déjà été faites par des chercheurs du bloc soviétique, comme on le réalisa souvent après la chute du murmur de Berlin. Des stars de la physique russe très connues dans leur patrie ne le sont pas en Europe et aux États-Unis, sauf des spécialistes. Ainsi, Lev Landau est aussi légendaire en Russie que Richard Feynman ou Stephen HawkingStephen Hawking.

Une de ces stars de la physique du temps de l'Union soviétique, et même après, vient de décéder à l'âge de 101 ans ce 9 janvier 2021 à Tchernogolovka, petite ville de la banlieue de Moscou et exemple prestigieux de cité scientifique (naoukograd) en Russie (on y trouve notamment le mythique Institut de physique théorique Landau - Институт теоретической физики им. Л. Д. Ландау).

Isaak Khalatnikov était né le 17 octobre 1919 à Yekaterinoslav (aujourd'hui Dnipro, en Ukraine). Il avait participé à la Grande Guerre patriotique contre l'armée allemande pendant la seconde guerre mondiale. Après la démobilisation, il a fait partie des happy few sélectionnés pour devenir un des étudiants en physique théorique de Lev Landau. Il sera à l'origine avec lui d'importants travaux concernant la physique des superfluides et il en tirera une monographie.

Avec Landau, Iakov Zeldovitch, Iouli Khariton et bien sûr Andrei Sakharov il va contribuer à la création des armes nucléaires soviétiques, et c'est l'un des derniers élèves de Landau et l'un des derniers créateurs de la bombe atomique russe qui vient de nous quitter. Il n'y a bien évidemment rien de très glorieux à avoir participé à la création des bombes A et H mais la tâche était si difficile que seuls des physiciens d'exception pouvaient y parvenir. Isaak Khalatnikov deviendra d'ailleurs par la suite directeur de l'Institut de physique théorique Landau et membre de l'Académie des sciences de l'URSS en 1984.

Des explosions nucléaires au Big Bang

Tout comme Zeldovitch à partir du début des années 1960, il va se tourner vers l'astrophysique et la cosmologie relativiste en se penchant sur ce que Lev Landau, lui-même, considérait comme l'un des plus importants problèmes non résolus de la physique moderne, l'existence d'une singularité en cosmologie et plus généralement lors de l'effondrementeffondrement d'une étoile. Le résultat final de cet effondrement est ce que l'école russe autour de Zeldovitch et de son collaborateur principal Igor Novikov va d'abord appeler une étoile gelée, puis l'école états-unienne autour de John Wheeler, un trou noir.

Khalatnikov va commencer par faire équipe avec un autre brillant élève de Landau, coauteur du célèbre cours de physique théorique dit de Landau-Lifshitz (peu savent qu'il en existe une version abrégée et une introduction similaire au cours de Feynman).

Comme l'explique Kip Thorne dans son ouvrage de vulgarisation sur les trous noirs et l'astrophysique relativiste, Evgeny Lifshitz et Isaak Khalatnikov vont initialement penser qu'ils sont parvenus à montrer qu'une étoile ne peut pas s'effondrer en donnant un trou noir avec une singularité centrale où la courbure de l'espace-tempsespace-temps et la densité de matièrematière deviennent infinies. Et comme l'effondrement gravitationnel d'une étoile est l'équivalent par renversement du temps de la naissance de l'UniversUnivers dans le cadre de la théorie du Big BangBig Bang, il ne devrait pas y avoir non plus de singularité cosmologique initiale.

L'occurrence de ces singularités était pensée comme un artefact des modèles considérés jusqu'ici, négligeant pour une étoile l'effet de sa rotation et la considérant comme de densité uniforme - comme dans le cas des modèles cosmologiques découverts par Friedmann et Lemaître. De légères perturbations aux solutions décrivant ces scénarios idéalisés rendant ces objets plus « rugueux » devaient invalider l'apparition de singularités selon les calculs de Lifshitz et Khalatnikov.

Une illustration du comportement de l'espace à l'approche d'une singularité lors de l'effondrement d'une étoile en trou noir ou au moins dans certaines solutions exactes de la théorie de la relativité générale classique comme celle connue sous le nom de Mixmaster, étudiée par Charles Misner en 1969. Elle décrit l'évolution temporelle d'un univers vide de matière, homogène mais anisotrope, dont le taux d'expansion diffère selon les trois directions d'espace. Ce modèle correspond au type IX de la classification de Bianchi des solutions homogènes mais anisotropes des équations d'Einstein. Selon BLK, ce comportement est générique à une évolution réaliste d'un espace-temps à l'approche d'une singularité gravitationnelle comme celle du Big Bang. Une théorie quantique de la gravitation doit cependant changer très probablement cette conjecture qui ne vaudrait d'ailleurs que sans effets quantiques et pour la théorie d'Einstein. D'autres théories classiques de la gravitation sont en effet possibles. © Lantonov, CC by-sa 4.0

L'énigme de la singularité cosmologique primordiale

Toutefois, en 1965, le prix Nobel de physique Roger Penrose publia son fameux théorèmethéorème s'inscrivant en faux contre les conclusions des deux physiciens soviétiques. D'abord sceptiques, ils finirent par se convaincre de leur erreur quelques années plus tard et en 1968, avec leur étudiant Vladimir A. Belinsky ils découvrirent, toujours dans le cadre de la version classique de la théorie de la relativité généralerelativité générale, sans effets quantiques, les résultats qui sont connus aujourd'hui comme à l'origine de la célèbre conjecture BLK sur les singularités.

Selon cette conjoncture, qui ne vaut peut-être pas en gravitégravité quantique, à l'approche de toute singularité, l'espace-temps classique en 4 dimensions devient turbulent et chaotique. Et si on imagine une distribution de sphère entourant chacun des points de l'espace en cours d'effondrement, si le volumevolume de cette sphère tend bien vers zéro, des phases chaotiques et oscillantes affectent cet effondrement selon des axes qui trahissent en alternance des expansions et des contractions.

Ces questions ont été étudiées plus tard en utilisant la théorie des cordesthéorie des cordes et la supergravitésupergravité ainsi que des simulations numériquessimulations numériques, montrant ce qui se passait avec les équationséquations d'EinsteinEinstein. Elles se transformaient en celles décrivant le comportement d'un jeu de billard avec des trajectoires devenant chaotiques, comme dans les travaux du mathématicien russe Yakov Sinai, prix Abel 2014 sur l'apparition du chaos dans ce genre de système mécanique.