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La physique des civilisations extraterrestres

Michio Kaku, physicien et Humain.

par le Pr. Michio Kaku, Cité Universitaire de New York

Des civilisations avancées ? (I)

Quand on s'interroge sur SETI, sur le nombre potentiel de mondes habitables, de civilisations avançées, le fait de savoir comment les trouver et les classer, un nom me vient immédiatement à l'esprit, le célèbre professeur et vulgarisateur Michio Kaku, qui a tenu pendant 25 ans la chaire de Physique théorique à la Cité Universitaire de New York (CUNY). Pour l'anecdote il est également consultant pour "Star Trek". Il a volontiers accepté de partager avec nous ses spéculations sur la physique des civilisations extraterrestres en essayant de classer leur degré d'évolution à partir des acquis de notre propre civilisation, en fondant son raisonnement sur le classement proposé par Kardashev.

Thor, commandant de la flotte intergalactique Asgard et allié des "Tori" (de la série Stargate SG-1).

Michio Kaku nous rappelle que le célèbre exobiologiste américain Carl Sagan posa un jour la question, "Que signifie pour une civilisation avoir un million d'années ? Nous utilisons des radiotélescopes et des vaisseaux spatiaux depuis quelques décennies ; notre civilisation technique n'a que quelques centaines d'années... Une civilisation avancée de quelques millions d'années est aussi loin de nous qu'un enfant sauvage ou qu'un macaque".

Bien que n'importe quelle conjecture au sujet de telles civilisations avançées soit une question purement spéculative, on peut malgré tout utiliser les lois de la physique pour tenter de déterminer les limites de telles civilisations. Nous y reviendrons également dans le cadre de la réévaluation du paradoxe de Fermi.

En particulier, depuis que les lois de la physique quantique, de la relativité générale, de la thermodynamique et les principes directeurs de la bioastronomie sont assez bien définis, les physiciens peuvent déterminer quelles sont les limites physiques qui contraignent l'évolution de ces éventuelles civilisations.

Notre sujet n'est alors plus une question de pure spéculation. Bientôt l'humanité pourrait faire face à un choc existentiel en découvrant la liste des innombrables exoplanètes de la taille de Jupiter et les centaines de la taille de la Terre qui sont peut-être nos jumelles célestes; y découvrir de la vie serait un événement historique sans précédent. Cette découverte pourrait déclencher une nouvelle ère dans notre rapport à l'univers : nous ne verrons plus jamais le ciel étoilé de la même manière, réalisant que les scientifiques pourront dorénavant compiler une "encyclopedia galactica" identifiant avec précision les coordonnées des centaines de planètes similaires à la Terre.

Aujourd'hui, chaque semaine ou presque nous apprenons qu'une nouvelle exoplanète de la taille de Jupiter a été découverte et de temps en temps on parvient à découvrir une exoplanète de la taille de la Terre. Ceci dit le meilleur reste à venir. D'ici 2018 les scientifiques placeront sur orbite le JWST, un télescope de 8 m de diamètre capable de détecter la lueur d'une lanterne tenue par un astronaute sur Mars et plus tard la NASA envisage de lancer d'autres télescopes pour découvrir et étudier les exoplanètes.

Tout ceci en retour stimulera activement la recherche de havres de vie, abritant peut-être des civilisations technologiques plus avancées que la nôtre, les fameuses CTA.

Bien qu'il soit impossible de prédire quelles seront les caractéristiques précises de telles civilisations avançées, dans les grandes lignes nous pouvons nous en faire une idée à partir des lois de la physique. Peu importe si des millions d'années d'évolution nous séparent de ces civilisations, elles doivent encore obéir aux lois de fer de la physique qui sont aujourd'hui mâtures et capables de tout expliquer, des particules subatomiques à la structure de l'univers à grande échelle, une évolution à travers 43 ordres de grandeur.

Le Télescope Spatial Hubble (HST) et la Mission d'Interférométrie Spatiale (SIM) constituent parmi nos meilleurs outils dans le rayonnement visible pour découvrir des exoplanètes de la taille de Jupiter. Le SIM présente une résolution de 4 microsecondes d'arc contre 60 millisecondes d'arc pour le HST. Documents NASA et NASA/JPL/SIM.

Physique des civilisations de Type I, II, et III

On peut classer les civilisations en fonction de leur consommation d'énergie, en utilisant les principes suivants :

1) Les lois de la thermodynamique. Même une civilisation avançée est liée aux lois de la thermodynamique, particulièrement au deuxième principe précisant que l'entropie d'un système ne peut pas décroître (le désordre augmente) et qui permet donc de classer les civilisations en fonction de la quantité d'énergie dont elles disposent.

2) Les lois de la matière stable. La matière baryonique (par exemple basée sur les protons et les neutrons) tend à se regrouper en masse compacte dans les grandes structures de l'univers : planètes, étoiles et galaxies (c'est un sous-produit déterminé de l'évolution stellaire et galactique, de la fusion thermonucléaire, etc.). Ainsi, l'énergie de ces civilisations sera également basée sur trois types distincts, et ceci place des limites supérieures sur leur taux de consommation d'énergie.

3) Les lois de l'évolution planétaire. N'importe quelle civilisation avançée doit se développer en consommant l'énergie plus rapidement que la fréquence des catastrophes qui lui seraient fatales (par exemple la chute d'une météorite, les périodes interglaciaires, les supernovae, etc.). Si elles se développent plus lentement, elles sont condamnées à l'extinction. Ceci place des limites mathématiques inférieures sur le taux de croissance de ces civilisations.

Ainsi que nous l'avons expliqué dans l'article consacré au contact éventuel avec une civilisation extraterrestre, en 1964 le physicien Nikolai Kardashev de l'Académie des Sciences de Russie a classé les civilisations avançées en trois catégories : I, II et III selon qu'elles étaient parvenues à maîtriser respectivement l'énergie de leur planète, stellaire ou galactique. Il parlait également d'une civilisation de Type IV qui serait capable de maîtriser l'énergie de... l'univers. Michio Kaku préfère l'ignorer pour le moment, mais nous y reviendrons.

Kardashev a calculé que la consommation d'énergie des civilisations de Type I, II et III représente à chaque fois un bon d'un facteur de plusieurs milliards. Mais combien de temps faut-il pour atteindre une civilisation de Type II et de Type III ? Sur base des calculs de Kardashev, Michio Kaku répond : "Moins longtemps que prévu".

Les acteurs

Nikolaï Kardashev, Don Goldsmith et Freeman Dyson. Documents IITP, U.Berkeley et Randall Hagadorn.

L'astronome Don Goldsmith de l'Université de Berkeley nous rappelle que la Terre reçoit environ un milliardième de l'énergie solaire et que les humains utilisent environ un millionième de cette quantité. Ainsi nous consommons environ un millionnième de milliardième de toute l'énergie solaire irradiée dans l'espace. En 2003, notre production énergétique mondiale était d'environ 16.5 trillions de kWh soit 1021 watts par an. En 2008, notre consommation d'énergie était estimée à 1.5 x 1013 watts par an, ce qui représente quelques ordres de grandeurs en-dessous des conditions requises pour être membre du club fermé de Kardashev. Mais notre consommation d'énergie croît de manière exponentielle et par conséquent nous pouvons calculer combien de temps il nous faudra pour atteindre le statut de civilisation de Type I, II ou III.

Goldsmith fait remarquer : "Regardez à quelle consommation d'énergie nous sommes parvenus une fois que nous avons appris à la maîtriser, à extraire les énergies fossiles, à créer des centrales hydroélectriques, etc; nous avons augmenté notre consommation d'une quantité remarquable en l'espace de deux siècles comparé aux milliards d'années d'existence de notre planète... et cette même comparaison peut s'appliquer aux autres civilizations".

Freeman Dyson, physicien à l'Institut d'Etude Avancée de Princeton estime que dans un délai d'environ 200 ans nous devrions atteindre le statut de civilisation de Type I. En fait, si notre consommation d'énergie s'accroît modestement au taux de 1% par an, Kardashev a estimé qu'il faudrait seulement 3200 ans pour atteindre le Type II et 5800 ans pour atteindre le Type III.

Vivre dans une civilisation de Type I, II ou III

Une civilisation de Type I est planétaire au sens stricte; elle a maîtrisé la plupart des formes d'énergie de sa planète : énergies fossiles, biomasse, hydroélectrique, marée motrice, géothermique, éolienne, solaire, etc. Son rendement énergétique global serait de l'ordre de quelques centaines à plusieurs millions de fois notre rendement actuel, ce qui représente une énergie supérieure à 1023 watts par an. 

"Cyber woman"

Une entité biomécanique du 2eme Type. Illustrateur inconnu, image corrigée par l'auteur.

L'écrivain Mark Twain dit un jour : "Tout le monde se plaint du temps, mais personne n'y fit rien". Ceci pourrait changer à l'avenir avec une civilisation de Type I qui dispose d'assez d'énergie pour modifier son climat. Elle dispose également d'assez d'énergie pour modifier l'activité des tremblements de terre, celle des volcans et elle serait capable de construire des villes au milieu des océans contre vents et marées.

Actuellement, notre rendement énergétique nous classe au statut de civilisation de Type 0. Nous dérivons notre énergie non pas en exploitant des énergies globales, mais en brûlant des énergies fossiles (comme le pétrole et le charbon). Malgré ce niveau relativement faible, nous pouvons voir germer les graines d'une civilisation de Type I. Nous assistons aux prémices d'une langue planétaire (l'anglais), d'un système de communication planétaire (Internet), d'une économie planétaire (l'Union européenne, l'OMC), et même aux commencements d'une culture planétaire (par l'intermédiaire des mass media, de la télévision par satellite, de la musique pop et des films d'Hollywood).

Par définition, une civilisation avançée doit se développer plus rapidement que la fréquence des catastrophes représentant un danger pour sa survie.

Etant donné que les grands impacts de météoroïdes se produisent en moyenne une fois tous les quelques milliers d'années, une civilisation de Type I doit maîtriser le vol spatial pour dévier les corps dangereux durant cette période, ce qui ne devrait pas être un problème. Les périodes interglaciaires peuvent s'étendre sur plusieurs dizaines de milliers d'années et une civilisation de Type I doit apprendre à modifier le climat durant cette période.

Des catastrophes artificielles et les conflits internes doivent également être considérés. Mais un problème comme celui d'une pollution globale est uniquement une menace mortelle pour une civilisation de Type 0 ; une civilisation de Type I a survécu durant plusieurs millénaires comme civilisation planétaire et est nécessairement parvenue à contrôler l'équilibre écologique de sa planète. Les problèmes internes comme les guerres constituent une menace recurrente sérieuse, mais ce type de civilisation a des milliers d'années devant elle pour résoudre les conflits raciaux, nationaux et sectères.

Finalement, après plusieurs milliers d'années d'évolution, une civilisation de Type I épuisera l'énergie de sa planète et devra puiser ses ressources en consommant toute l'énergie de son étoile. Elle deviendra une civilisation de Type II et consommera un milliard de trillion de trillion d'ergs par seconde ou quelque 1026 watts par an en étant économe.

A lire : Vendre la peau de l'ours (à propos de KIC 8462852)

Differents modèles de sphères de Dyson plus ou moins élaborées. Documents CapnHack, anonyme et Bungie.

Sa consommation d'énergie étant comparable à celle d'une petite étoile, l'activité d'une civilisation de Type II devrait être visible de l'espace. Dyson a proposé qu'une civilisation de Type II serait capable de construire une sphère colossale autour de son étoile afin de tirer un rendement maximum de ses ressources d'énergie : la sphère de Dyson.

Même si elle essaye de cacher son existence, cette civilisation doit, en vertu du deuxième principe de la thermodynamique, perdre de la chaleur par rayonnement. Depuis l'espace, leur planète doit rougeoyer comme les guirlandes d'un sapin de Noël. Dyson a même proposé aux astronomes de chercher spécifiquement les émissions infrarouges (plutôt que radio et TV) pour identifier ces civilisations de Type II, ce qu'ils n'ont pas manqué de faire.

La seule menace probalement sérieuse pour une civilisation de Type II serait l'explosion d'une supernova toute proche, dont l'éruption soudaine pourrait brûler leur planète dans un souffle mortel de rayons X, tuant toute vie à sa surface. 

Ainsi, la civilisation la plus intéressante serait sans doute celle de Type III, parce qu'elle est vraiment immortelle. Elle a épuisé l'énergie de son étoile et a colonisé d'autres systèmes stellaires. Aucune catastrophe ordinaire connue de la science n'est capable de détruire une civilisation de Type III.

Confrontée à une supernova voisine, elle aurait plusieurs alternatives pour échapper à cette funeste extinction, telle que changer l'évolution des étoiles géantes rouges sur le point d'exploser en supernova ou quitter son système stellaire et terraformer un système planétaire voisin.

Cependant, il y a des obstacles à la naissance d'une civilisation de Type III. Car elle doit faire face à une autre loi intangible de la physique, la théorie de la relativité et toutes les difficultés qu'elle entraîne sur les voyages spatiaux et la transformation de l'énergie. Dyson estime que ceci peut retarder la transition vers la civilisation de Type III de quelques millions d'années.

Le terraforming d'une planète (Mars en l'occurrence) est une tâche accessible à une civilisation de Type 0 à condition d'y mettre le temps, soit plusieurs siècles voire quelques millénaires. Seule une civilisation de Type III peut accomplir cette tache en l'espace de quelques années. A gauche résultat du terraforming dans la région du cratère Gusev (en haut à gauche) et d'Apollinaris Patera (le relief à l'avant-plan). A droite libération de la glace d'eau prisonnière d'un volcan éteint. Documents NightGaunt et Columbia/Tri-Star Pictures/Total Recall.

Mais même en tenant compte du mur de la lumière, il existe plusieurs moyens de voyager à une vitesse quasi luminique. Par exemple, le principal paramètre qui caractérise une fusée est l'impulsion spécifique (le produit de la poussée par la durée, exprimé en secondes). Les fusées chimiques peuvent atteindre des impulsions spécifiques de quelques centaines à plusieurs milliers de secondes. Les moteurs ioniques (électriques) qui peuvent atteindre 300 km/s présentent des impulsions spécifiques de quelques dizaines de milliers de secondes.

Mais pour atteindre une vitesse proche de celle de la lumière, nous devons obtenir une impulsion spécifique d'environ 30 millions de secondes, ce qui hors de portée de nos moyens actuels, mais certainement pas d'une civilisation de Type III capable de maîtriser l'antimatière. Divers systèmes de propulsion seraient disponibles pour permettre aux vaisseaux spatiaux d'atteindre des vitessess subluminiques (telles que des moteurs ram-jet à fusion, des moteurs photoniques, etc.).

Deuxième partie

Comment explorer la Galaxie ?

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