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“Si nous acceptons le principe copernicien comme principe directeur, nous sommes forcés d’admettre que toute espèce intelligente serait confrontée aux mêmes défis que nous avec le vol interstellaire. Et comme nous ne prévoyons pas de moyen de contourner ces problèmes, à moins d’une percée majeure dans notre compréhension de la physique, peut-être qu’aucune autre espèce n’en a trouvé une non plus. Serait-ce la raison du «Grand Silence»?”

Universe Today

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Universe Today continue ses articles sur le principe de Fermi. Aujourd’hui, la théorie de la percolation. Intéressant !

Beyond “Fermi’s Paradox” XV: What is the Percolation Theory Hypothesis?

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Proposition de traduction :

En 1950, le physicien italo-américain Enrico Fermi s’est assis pour déjeuner avec certains de ses collègues au Los Alamos National Laboratory , où il avait travaillé cinq ans auparavant dans le cadre du projet Manhattan. Selon divers récits, la conversation s’est tournée vers les extraterrestres et la récente vague d’OVNIS. À ce sujet, Fermi a publié une déclaration qui restera dans les annales de l’histoire: « Où est tout le monde? 

Cela est devenu la base du paradoxe de Fermi , qui se réfère à la disparité entre les estimations à haute probabilité de l’existence de l’intelligence extraterrestre (ETI) et le manque apparent de preuves. Depuis l’époque de Fermi, il y a eu plusieurs propositions de résolution à sa question, qui inclut la possibilité très réelle que la colonisation interstellaire suive la règle de base de la théorie de la percolation .

L’une des principales hypothèses derrière le paradoxe de Fermi est qu’étant donné l’abondance des planètes et l’âge de l’Univers, une exo-civilisation avancée aurait dû coloniser une partie importante de notre galaxie maintenant. Ce n’est certainement pas sans mérite, étant donné que dans la seule galaxie de la Voie lactée (qui a plus de 13,5 milliards d’années), il y a environ 100 à 400 milliards d’étoiles.

Une autre hypothèse clé est que les espèces intelligentes seront motivées à coloniser d’autres systèmes stellaires dans le cadre d’une volonté naturelle d’explorer et d’étendre la portée de leur civilisation. Dernier point, mais non des moindres, il suppose que le voyage spatial interstellaire serait faisable et même pratique pour une exo-civilisation avancée.

Mais cela revient à supposer que les progrès technologiques apporteront des solutions au plus grand défi du voyage interstellaire. En bref, la quantité d’énergie qu’il faudrait à un vaisseau spatial pour voyager d’une étoile à une autre est prohibitive, en particulier dans le cas de gros engins spatiaux avec équipage.

La relativité est une maîtresse dure

En 1905, Einstein a publié son article fondateur dans lequel il a avancé sa théorie spéciale de la relativité . C’était la tentative d’Einstein de réconcilier les lois du mouvement de Newton avec les équationsd’électromagnétisme de Maxwell afin d’expliquer le comportement de la lumière . Cette théorie affirme essentiellement que la vitesse de la lumière (en plus d’être constante) est une limite absolue au-delà de laquelle les objets ne peuvent pas voyager.

Ceci est résumé par la célèbre équation, E = mc 2 , qui est également connue sous le nom d ‘«équivalence masse-énergie». En termes simples, cette formule décrit l’énergie ( E ) d’une particule dans son cadre de repos comme le produit de la masse ( m ) avec la vitesse de la lumière au carré ( 2 ) – env. 300000 km / s; 186000 mi / s. Une conséquence de ceci est que lorsqu’un objet s’approche de la vitesse de la lumière, sa masse augmente invariablement.

Par conséquent, pour qu’un objet atteigne la vitesse de la lumière, une quantité infinie d’énergie devrait être dépensée pour l’accélérer. Une fois c atteint, la masse de l’objet deviendrait également infinie. En bref, atteindre la vitesse de la lumière est impossible, sans parler de la dépasser. Donc, à moins d’une énorme révolution dans notre compréhension de la physique, un système de propulsion Faster-Than-Light (FTL) ne peut jamais exister.

Telle est la conséquence de vivre dans un univers relativiste, où voyager ne serait-ce qu’une fraction de la vitesse de la lumière nécessite d’énormes quantités d’énergie. Et si certaines idées très intéressantes et innovantes ont été produites au fil des ans par des physiciens et des ingénieurs qui souhaitent voir le voyage interstellaire devenir une réalité, aucun des concepts en équipage n’est ce que vous pourriez appeler «rentable».

Une question de principe

Cela soulève une question philosophique très importante qui est liée au paradoxe de Fermi et à l’existence des ETI. Ce n’est autre que le principe copernicien, nommé en l’honneur du célèbre astronome Nicolas Copernic. Pour le décomposer, ce principe est une extension de l’argument de Copernic sur la Terre, à savoir comment elle n’était pas dans une position unique et privilégiée pour voir l’Univers.

Étendu au domaine cosmologique, le principe affirme fondamentalement que lorsqu’on considère la possibilité d’une vie intelligente, il ne faut pas supposer que la Terre (ou l’humanité) est unique. De même, ce principe soutient que l’Univers tel que nous le voyons aujourd’hui est représentatif de la norme – aka. qu’il est dans un état d’équilibre.

L’opinion opposée, selon laquelle l’humanité est dans une position unique et privilégiée pour observer l’Univers, est ce que l’on appelle le principe anthropique. En un mot, ce principe stipule que l’acte même d’observer l’Univers à la recherche de signes de vie et d’intelligence nécessite que les lois qui le régissent soient propices à la vie et à l’intelligence.

Si nous acceptons le principe copernicien comme principe directeur, nous sommes forcés d’admettre que toute espèce intelligente serait confrontée aux mêmes défis que nous avec le vol interstellaire. Et comme nous ne prévoyons pas de moyen de contourner ces problèmes, à moins d’une percée majeure dans notre compréhension de la physique, peut-être qu’aucune autre espèce n’en a trouvé une non plus. Serait-ce la raison du «Grand Silence»?

Origine

La notion que la distance et le temps peuvent être un facteur (en relation avec le paradoxe de Fermi) a fait l’objet de beaucoup de considération au fil du temps. Carl Sagan et William I. Newman ont suggéré dans leur étude de 1981, « Civilisations galactiques: dynamique des populations et diffusion interstellaire », que les signaux et les sondes des ETI n’ont tout simplement pas encore atteint la Terre. Cela a été critiqué par d’autres scientifiques qui ont soutenu que cela allait à l’encontre du principe copernicien.

Selon les propres estimations de Sagan et Newman, le temps qu’il faudrait à un ETI pour explorer la galaxie entière est égal ou inférieur à l’âge de notre galaxie elle-même (13,5 milliards d’années). Si les sondes ou les signaux d’une exo-civilisation ne nous sont pas encore parvenus, cela impliquerait que la vie sensible a commencé à émerger dans un passé plus récent. En d’autres termes, la galaxie est dans un état de déséquilibre, passant d’un état inhabité à habité.

Cependant, c’est Geoffrey A. Landis qui a présenté l’argument peut-être le plus convaincant sur les limites imposées par les lois de la physique. Dans son article de 1993, « Le paradoxe de Fermi: une approche basée sur la théorie de la percolation », il a fait valoir qu’en raison de la relativité, une exo-civilisation ne pourrait s’étendre que jusqu’à présent dans toute la galaxie.

Au centre de l’argumentation de Landis se trouvait le concept de statistiques mathématiques et physiques connu sous le nom de « théorie de la percolation », qui décrit le comportement d’un réseau lorsque des nœuds ou des liens sont supprimés. Conformément à cette théorie, lorsque suffisamment de liens du réseau sont supprimés, il se décompose en plus petits clusters connectés. Selon Landis, ce même processus est utile pour décrire ce qui arrive aux personnes engagées dans la migration.

En bref, Landis a proposé que dans une galaxie où la vie intelligente est statistiquement probable, il n’y aura pas d ‘«uniformité de motif» parmi les civilisations extraterrestres. Au lieu de cela, son mode suppose une grande variété de motifs, certains choisissant de s’aventurer et de coloniser tandis que d’autres choisissent de «rester à la maison». Comme il l’a expliqué:

«Puisqu’il est possible, étant donné un nombre suffisant de civilisations extraterrestres, une ou plusieurs se seraient certainement engagées à le faire, peut-être pour des motifs inconnus pour nous. La colonisation prendra un temps extrêmement long et coûtera très cher.

«Il est tout à fait raisonnable de supposer que toutes les civilisations ne seront pas intéressées à faire une dépense aussi importante pour un résultat très lointain. La société humaine est constituée d’un mélange de cultures qui explorent et colonisent, parfois sur de très grandes distances, et de cultures qui n’ont aucun intérêt à le faire.

Pour résumer, une espèce avancée ne coloniserait pas la galaxie rapidement ou systématiquement. Au lieu de cela, il «s’infiltrerait» vers l’extérieur à une distance finie, où l’augmentation des coûts et le décalage entre les communications imposaient des limites et les colonies développaient leurs propres cultures. Ainsi, la colonisation ne serait pas uniforme mais se produirait en grappes avec de vastes zones non colonisées à un moment donné.

Un argument similaire a été avancé en 2019 par le professeur Adam Frank et une équipe de chercheurs sur les exoplanètes du Nexus for Exoplanetary Systems Science (NExSS) de la NASA. Dans une étude intitulée « Le paradoxe de Fermi et l’effet Aurora: règlement d’exo-civilisation, expansion et états stables », ils ont fait valoir que la colonisation de la galaxie se produirait également en amas car toutes les planètes potentiellement habitables ne seraient espèce.

Bien entendu, le modèle de Landis contient des hypothèses qui lui sont propres, qu’il a exposées au préalable. Premièrement, il y avait l’hypothèse que le voyage interstellaire est difficile en raison des lois de la physique et qu’il existe une distance maximale sur laquelle des colonies peuvent être directement établies. Par conséquent, une civilisation ne colonisera qu’à une distance raisonnable de son foyer, au-delà de laquelle la colonisation secondaire se produira plus tard.

Deuxièmement, Landis fait également l’hypothèse que la civilisation mère aura une faible emprise sur toutes les colonies qu’elle crée et que le temps nécessaire à celles-ci pour développer leur propre capacité de colonisation sera très long. Par conséquent, toute colonie établie développera sa propre culture au fil du temps et ses habitants auront un sentiment de soi et d’identité distinct de celui de la civilisation mère.

Un concept pour un navire multi-génération conçu par la TU Delft Starship Team (DSTART), avec le soutien de l’ESA. Crédits: Nils Faber & Angelo Vermeulen

Comme nous l’avons exploré dans un article précédent , il faudrait entre 1000 et 81000 ans pour atteindre Proxima Centauri (à 4,24 années-lumière) en utilisant la technologie actuelle. Bien qu’il existe des concepts qui permettraient un voyage relativiste (une fraction de la vitesse de la lumière), le temps de trajet serait toujours de quelques décennies à plus d’un siècle. De plus, le coût serait extrêmement prohibitif.

Mais amener les colons à un autre système stellaire n’est que le début. Une fois qu’ils ont installé une planète habitable à proximité (et que tous ne sont pas morts) et qu’ils ont l’infrastructure pour les communications interstellaires, il leur faudrait encore 8 ans et demi pour envoyer un message à la Terre et recevoir une réponse. Ce n’est tout simplement pas pratique pour une civilisation qui espère maintenir un contrôle centralisé ou une hégémonie culturelle sur ses colonies.

L’espace est cher!

Pour mettre les choses en perspective, considérez les coûts associés à la propre histoire de l’exploration spatiale de l’humanité. L’envoi d’astronautes sur la Lune dans le cadre du programme Apollo entre 1961 et 1973 a coûté 25,4 milliards de dollars, ce qui équivaut à environ 150 milliards de dollars aujourd’hui (après ajustement pour l’inflation). Mais Apollo ne s’est pas produit dans le vide et a d’abord nécessité le projet Mercury et le projet Gemini comme tremplins.

Ces deux programmes, qui ont mis en orbite les premiers astronautes américains et développé l’expertise nécessaire pour se rendre sur la Lune, ont respectivement coûté environ 2,3 milliards de dollars et 10 milliards de dollars américains (après ajustement). Additionnez-les tous et vous obtenez un total d’environ 163 milliards de dollars dépensés de 1958 à 1972. En comparaison, le projet Artemis , qui ramènera des astronautes sur la Lune pour la première fois depuis 1972, coûtera 35 milliards de dollars sur les quatre prochains ans !

L’Apollo 10 Saturn V lors du déploiement. Crédit: NASA

Cela n’inclut pas les coûts pour amener tous les différents composants à ce stade du jeu, comme le développement du SLS jusqu’à présent, la capsule spatiale Orion et la recherche sur la passerelle lunaire , les systèmes d’atterrissage humain (HLS) et robotique. C’est beaucoup d’argent juste pour accéder au seul satellite de la Terre. Mais ce n’est rien comparé aux coûts des missions interstellaires!

Vous allez interstellaire?

Depuis l’aube de l’ère spatiale, de nombreuses propositions théoriques ont été faites pour envoyer des engins spatiaux vers les étoiles les plus proches. Au cœur de chacune de ces propositions se trouvait la même préoccupation: pouvons-nous atteindre les étoiles les plus proches de notre vie? Afin de relever ce défi, les scientifiques ont envisagé un certain nombre de stratégies de propulsion avancées qui seraient capables de pousser les engins spatiaux à des vitesses relativistes.

Parmi ceux-ci, le plus simple était sans aucun doute le Projet Orion(1958 à 1963), qui reposerait sur une méthode connue sous le nom de Propulsion par impulsions nucléaires (NPP). Dirigé par Ted Taylor de General Atomics et le physicien Freeman Dyson de l’Institute for Advanced Study de l’Université de Princeton, ce projet envisageait un vaisseau spatial massif qui utiliserait la force explosive générée par les ogives nucléaires pour générer une poussée.

Ces ogives seraient lâchées derrière le vaisseau spatial et explosées, créant des impulsions nucléaires. Celles-ci seraient absorbées par une plaque de pression montée à l’arrière (alias «poussoir») qui traduirait la force explosive en élan vers l’avant. Bien qu’inélégant, le système était brutalement simple et efficace, et pouvait théoriquement atteindre des vitesses allant jusqu’à 5% de la vitesse de la lumière (5,4 × 10 7 km / h, soit 0,05 c ).

Le concept Project Orion pour un vaisseau spatial à propulsion nucléaire. Crédit: silodrome.co

Hélas, le coût. Selon les estimations produites par Dyson en 1968 , un vaisseau spatial Orion pèserait entre 400 000 et 4 000 000 de tonnes métriques. Les estimations les plus prudentes de Dyson ont également placé le coût de construction d’un tel engin à 367 milliards de dollars (2,75 billions de dollars après ajustement pour l’inflation). Cela représente environ 78% des revenus annuels du gouvernement américain pour 2019 et 10% du PIB du pays.

Une autre idée était de construire des fusées qui reposent sur des réactions thermonucléaires pour générer une poussée. Plus précisément, le concept de Fusion Propulsion a été étudié par la British Interplanetary Society entre 1973 et 1978 dans le cadre d’une étude de faisabilité connue sous le nom de Projet Daedalus . La conception résultante exigeait un engin spatial à deux étages qui générerait une poussée en fusionnant des pastilles de deutérium / hélium-3 dans une chambre de réaction à l’aide de lasers à électrons.

Cela créerait un plasma à haute énergie qui serait ensuite converti en poussée par une buse magnétique. Le premier étage de l’engin spatial fonctionnerait pendant un peu plus de 2 ans et accélérerait l’engin spatial à 7,1% de la vitesse de la lumière (0,071 c ). Cette étape serait alors larguée et la deuxième étape prendrait le relais et accélérerait le vaisseau spatial jusqu’à environ 12% de la vitesse de la lumière (0,12 c ) sur une période de 1,8 an.

Le moteur du deuxième étage serait alors arrêté et le navire entrerait dans une période de croisière de 46 ans. Selon les estimations du projet, la mission prendrait 50 ans pour atteindre l’étoile de Barnard (à moins de 6 années-lumière). Ajusté pour Proxima Centauri, le même engin pourrait faire le voyage dans 36 ans. Mais en plus des barrières technologiques identifiées par le projet, il y avait aussi les coûts que cela impliquait.

Pesant 60000 tonnes lorsqu'il est entièrement alimenté, Daedalus éclipserait même la fusée Saturn V.  Crédits: Adrian Mann
Concept de l’artiste du vaisseau spatial Project Daedalus, avec une fusée Saturn V debout à côté pour l’échelle. Crédits: Adrian Mann

Même selon la norme modeste d’un concept non équipé, un Daedalus entièrement alimenté pèserait jusqu’à 60 000 Mt et coûterait plus de 5 267 milliards de dollars (sur la base des estimations de 2012). Ajuster à 2020 USD, le prix d’un Daedalus entièrement assemblé coûterait près de 6 billions de dollars. Icarus Interstellar , une organisation internationale de citoyens scientifiques bénévoles (fondée en 2009) a depuis tenté de revitaliser le concept avec le projet Icarus .

Une autre idée audacieuse est la propulsion de l’antimatière , qui reposerait sur l’annihilation de la matière et de l’antimatière (hydrogène et particules d’antihydrogène). Cette réaction a libéré autant d’énergie qu’une détonation thermonucléaire, ainsi qu’une pluie de particules subatomiques (pions et muons). Ces particules, qui voyageraient alors à un tiers de la vitesse de la lumière, sont canalisées par une buse magnétique pour générer une poussée.

Malheureusement, le coût de production d’un seul gramme d’antimatière est estimé à environ un billion de dollars . Selon un rapport de Robert Frisbee du Advanced Propulsion Technology Group de la NASA (NASA Eagleworks), une fusée antimatière à deux étages aurait besoin de plus de 815000 tonnes métriques (900000 tonnes américaines) de carburant pour se rendre à Proxima Centauri dans environ 40 ans.

Un rapport plus optimiste du Dr Darrel Smith et Jonathan Webby de l’ Université aéronautique Embry-Riddle indique qu’un vaisseau spatial pesant 400 tonnes métriques (441 tonnes US) et 170 tonnes métriques (187 tonnes US) de carburant d’antimatière pourrait atteindre 0,5 la vitesse de lumière. À ce rythme, l’engin pourrait atteindre Proxima Centauri dans un peu plus de 8 ans, mais il n’y a aucun moyen rentable de le faire et aucune garantie qu’il n’y en aura jamais.

Vue d’artiste d’un concept Bussard Ramjet. Crédits: i4is

Dans tous les cas, le propulseur représente une grande partie de la masse totale de ce concept. Pour y remédier, des variantes ont été proposées qui pourraient générer leur propre propulseur. Dans le cas des fusées à fusion, il y a le Bussard Ramjet , qui utilise un énorme entonnoir électromagnétique pour «récupérer» l’hydrogène du milieu interstellaire et des champs magnétiques pour le comprimer au point où la fusion se produit.

De même, il existe le système d’exploration interstellaire Vacuum to Antimatter Rocket (VARIES), qui crée également son propre carburant à partir du milieu interstellaire. Proposé par Richard Obousy d’Icare Interstellar, un vaisseau VARIES s’appuierait sur de gros lasers (alimentés par d’énormes panneaux solaires) qui créeraient des particules d’antimatière lorsqu’ils seraient tirés sur un espace vide.

Hélas, aucune de ces idées n’est possible avec la technologie actuelle, et elles ne relèvent pas non plus de la rentabilité (pas de loin). Dans les circonstances, et à moins de plusieurs développements technologiques majeurs qui réduiraient les coûts associés, il serait juste de dire que toute idée de missions interstellaires avec équipage est tout simplement irréaliste.

L’envoi de sondes à d’autres étoiles au cours de notre vie est toujours dans le domaine du possible, en particulier celles qui reposent sur la propulsion à énergie dirigée (DEP). Comme le montrent des propositions comme Breakthrough Starshot ou Project Dragonfly , ces voiles pourraient être accélérées à des vitesses relativistes et disposer de tout le matériel nécessaire pour collecter des images et des données de base sur toutes les exoplanètes en orbite.

Le projet Starshot, une initiative parrainée par la Breakthrough Foundation, se veut le premier voyage interstellaire de l’humanité. Crédit: breakthroughinitiatives.org

Cependant, ces sondes sont un moyen potentiellement fiable et rentable d’exploration interstellaire, pas de colonisation. De plus, le décalage dans le temps impliqué dans les communications interstellaires imposerait toujours des contraintes sur la distance que ces sondes pourraient explorer tout en continuant à rapporter à la Terre. Par conséquent, une exo-civilisation n’est pas susceptible d’envoyer des sondes bien au-delà des limites de son territoire.

des reproches

Une critique possible de la théorie de la percolation est qu’elle permet de nombreux scénarios et interprétations qui permettraient qu’un contact se soit produit à ce stade. Si nous supposons qu’une espèce intelligente prendrait également 4,5 milliards d’années pour émerger (le temps entre la formation de la Terre et les humains modernes), et considérons que notre galaxie existe depuis 13,5 milliards d’années, cela laisse encore une fenêtre de 9 milliards d’années.

Pendant 9 milliards d’années, plusieurs civilisations auraient pu venir et disparaître et même si aucune espèce n’aurait pu coloniser toute la galaxie, il est difficile d’imaginer que cette activité serait passée inaperçue. Dans ces circonstances, on peut être forcé de conclure qu’en plus d’être des limites à la manière dont une civilisation peut atteindre, il y a d’autres facteurs limitants à l’œuvre ici ( Grand Filtre , n’importe qui?)

Cependant, il est important de nous rappeler qu’aucune résolution proposée au paradoxe de Fermi n’est sans son lot de trous. De plus, s’attendre à ce qu’une théorie ou un théoricien ait toutes les réponses à un sujet aussi complexe (mais pauvre en données) que l’existence d’extraterrestres est à peu près aussi irréaliste que d’attendre une cohérence dans le comportement des ETI eux-mêmes!

Carte logarithmique de l’Univers observable. Crédits: Pablo Carlos Budassi

Dans l’ensemble, cette hypothèse est très utile en raison de la façon dont elle décompose bon nombre des hypothèses inhérentes au «fait A.» Il présente également un point de départ tout à fait logique pour répondre à la question fondamentale. Pourquoi n’avons-nous entendu aucun ETI? Parce qu’il n’est pas réaliste de conclure qu’ils auraient dû coloniser la meilleure partie de la galaxie maintenant, surtout lorsque les lois de la physique (telles que nous les connaissons) excluent une telle chose.