Mathematica simule le son du Big Bang

« Un samedi matin, alors que j'aurais dû faire autre chose, je me suis assis et j'ai écrit un programme Mathematica de 16 lignes qui produit le son. »

Le physicien, professeur et chroniqueur scientifique John Cramer explique à Wolfram Research qu'il a récemment utilisé Mathematica pour produire une simulation de 100 secondes du son du Big Bang au cours des 760 000 premières années de l'évolution de l'univers. Cramer, qui fait partie de la faculté de la University of Washington, rapporte que « le résultat ressemble plutôt à un gros avion à réaction qui survolerait votre maison à une altitude de 30,48 mètres au milieu de la nuit ».

Marcus Chown, un écrivain scientifique britannique avec lequel Cramer interagit fréquemment, a écrit un article sur la simulation de Cramer pour le numéro de New Scientist paru le 1^er novembre. Cet article « a provoqué une explosion étonnante de l'attention des médias », déclare Cramer. « J'ai été interviewé à plusieurs reprises, notamment à trois reprises par la BBC pour BBC Radio 4, BBC Radio 5 et BBC Foreign Service. Un ami polonais m'a dit qu'il avait entendu parler de mon travail lors d'une émission d'information nationale polonaise. J'ai notamment fait la une d'un journal turc appelé SABAH, j'ai été présenté sur le service d'information arabe Al Jazeera, et j'ai été publié dans le journal du Shanghai Daily. Notre serveur web local est tombé en panne à plusieurs reprises sous la charge des personnes qui tentaient de télécharger le fichier audio.

« Voici comment j'en suis arrivé à produire le son du Big Bang. Mon principal domaine de recherche est la physique des ions lourds ultra-relativistes. Je ne travaille pas beaucoup en cosmologie et en astrophysique, bien que j'aie publié un ou deux articles dans ces domaines. Cependant, j'écris également une chronique scientifique bimensuelle pour le magazine Analog qui traite souvent de cosmologie. L'une de ces chroniques, intitulée BOOMERanG and the Sound of the Big Bang, a été publiée dans le numéro du mois de janvier 2001 d'Analog et est également disponible sur le web. Elle décrit le récent vol en ballon dans l'Antarctique qui a permis de cartographier la structure à petit angle du rayonnement cosmique de fond. Suivant l'exemple des scientifiques impliqués dans le projet, j'ai décrit les variations de température qu'ils ont observées comme étant, en fait, un enregistrement du "son du Big Bang" lorsque l'univers était âgé de 376 000 ans.

« Il y a environ un mois, j'ai reçu l'e-mail d'une lectrice. Elle m'a dit que son fils de 11 ans faisait un travail scolaire sur le Big Bang et qu'ils l'avaient vu mentionné dans ma chronique sur le web. Elle se demandait si le son du Big Bang avait été enregistré quelque part pour qu'il puisse le faire écouter à sa classe. J'ai répondu par la négative, mais sa question intéressante m'a amené à réfléchir au problème. Avec les données disponibles de BOOMERanG et plus récemment de WMAP, il ne serait pas trop difficile de simuler le son à l'aide de Mathematica, qui permet de rendre les fonctions mathématiques sous forme de sons qui peuvent être capturés dans des fichiers .wav.

« L'idée de synthétiser le son du Big Bang m'a trotté dans la tête pendant plusieurs jours. J'ai décidé que j'avais vraiment besoin d'entendre le son du Big Bang. Un samedi matin, alors que j'aurais dû faire autre chose, je me suis assis et j'ai écrit un programme Mathematica de 16 lignes qui produit le son en le sauvegardant dans un fichier .wav. J'ai téléchargé le spectre de fréquences mesuré par le site du satellite WMAP de la NASA et je l'ai utilisé comme données d'entrée pour le programme.

« Le notebook combine les fréquences mesurées par WMAP, mises à l'échelle de manière appropriée pour l'oreille humaine, en supposant que toutes les sinusoïdes commencent à un maximum en t = 0 (le début du Big Bang). La fréquence des sinusoïdes est décalée vers le bas au fur et à mesure que le temps s'écoule ^2/3 , que l'univers s'étend et qu'il devient davantage un "instrument de basse". La simulation dure 100 secondes, ce qui représente les 760 000 premières années d'évolution de l'univers, et fait varier l'intensité du son pour qu'elle corresponde à celle des micro-ondes cosmiques qui, selon WMAP, ont atteint leur maximum à 376 000 ans et ont chuté à 36 % d'intensité en 110 000 ans de part et d'autre du pic. Les fréquences sonores utilisées dans la simulation doivent être augmentées d'un facteur énorme (environ 10²⁶) pour être accessibles à l'oreille humaine, car les fréquences réelles du Big Bang étaient beaucoup trop basses pour être entendues par les humains (même s'il y en avait eu).

« Après avoir produit le fichier .wav, j'ai envoyé une copie par e-mail à ma lectrice. Elle m'a dit que le projet scientifique de son fils avait été une grande réussite, » explique Cramer.

Le notebook Mathematica de Cramer, le fichier .wav et les données d'entrée pour la simulation sont disponibles dans The Sound of the Big Bang (Le son du Big Bang) dans le Centre d'information Wolfram. Pour plus d'informations sur Cramer et son travail, visitez sa page d'accueil.