l’astrocladistique, ou l’astrophysique en blouse de biologiste

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Didier Fraix-Burnet est un astrophysicien pas tout à fait comme les autres. Au sein de l’Institut de Planétologie et d’Astrophysique de Grenoble, il s’intéresse aux galaxies… mais sous l’angle de la biologie ! Plus précisément, de la cladistique, cette méthode classificatoire utilisée par la biologie évolutionniste moderne. Son but : mieux comprendre la diversité des galaxies en examinant comment elles sont arrivées à leur état physique et chimique actuel. Car la forme seule d’une galaxie ne renseigne pas sur son histoire…


(Ce billet reprend mon article pour Ciel et Espace « Les galaxies évoluent, l’astrophysique aussi », N° 498, Novembre 2011, pp 52-55)

J’y ajouterai trois choses :

  • un remerciement: à JP Colin, blogueur ami et artisan classificateur qui s’est essayé à dresser la phylogénie des créatures d’heroic fantasy, me fournissant par la même occasion l’idée de l’article
  • une réjouissance :  il y a des livres dont on dit qu’ils sont maudits… peut-être en existe-t-il des bénéfiques aussi ? tel Classification phylogénétique du vivant de Guillaume Lecointre et Hervé Le Guyader, qui, outre l’exemple qui va suivre, a inspiré à Denis van Waerebeke l’idée du documentaire Espèces d’espèces, et se trouve peut-être à l’origine de bien d’autres vocations…
  • une remarque prudentielle : à l’époque de la rédaction de cet article, ledit Hervé Le Guyader a aimablement accepté de consacrer partie de son week end à la lecture d’un papier d’astrocladistique… pour, hélas, s’abstenir de tout commentaire,  faute de connaissance en astrophysique et, semble-t-il, parce qu’il tiquait sur l’usage du terme « évolution » en dehors du spectre du vivant… Sa réticence souligne un problème de fond : la cladistique, ça peut marcher avec n’importe quoi (n’est-ce pas JP Colin ?) ; le plus dur est d’en inférer une histoire évolutive qui fasse sens.

[Pour un rappel de ce que sont la cladistique et la classification phylogénétique: suivez les explications de l’aliocha…]

[le blog de Didier Fraix-Burnet, consacré à l’astrocladistique]

 

« Les galaxies évoluent, l’astrophysique aussi »

Le parcours de Didier Fraix-Burnet est une belle histoire, de celles qui montrent que la recherche avance aussi de façon non linéaire, par de petits pas de côté imprévus. Elle remonte à 2001. Le chercheur travaille depuis plus de dix ans sur des phénomènes de hautes énergies, les jets extragalactiques. Un article du journal Le Monde va changer la donne. En ce 16 mai 2001 (Didier Fraix-Burnet se souvient encore de la date !), le quotidien publie un entretien avec les systématiciens Hervé Le Guyader et Guillaume Lecointre, « L’art de la classification du vivant est devenu une science », dans lequel ils expliquent l’apport de la cladistique (du grec ancien klados signifiant « branche ») à la théorie de l’évolution.

A première vue, nous sommes loin des objets de prédilection de l’astrophysique. Mais pas aux yeux de Didier Fraix-Burnet, frustré qu’aucun modèle n’arrive à rendre compte du caractère changeant voire relativement éphémère de certains phénomènes, comme les noyaux actifs des galaxies. Le chercheur a un véritable « flash » : la méthode classificatoire de la biologie évolutionniste est l’outil qui manque à sa discipline. Deux mois après cette lecture, il commence à travailler sur le sujet. Se renseigne sur la méthode statistique pour savoir si elle est transposable. La cladistique est utilisée en archéologie, en linguistique, en anthropologie, en éthologie, ou bien encore pour étudier l’histoire des textes (stemmatique)… Bref, partout où il s’agit de reconstruire une histoire évolutive. Didier Fraix-Burnet est très vite convaincu qu’il n’y a pas de réel problème pour l’adapter aux objets célestes.

Tout au moins en théorie. En pratique, il a fallu un « très gros effort » au chercheur pour se familiariser avec des méthodes qui sont « compliquées pour les statisticiens eux-mêmes ». Si la cladistique est aride, ses principes de base sont relativement simples. C’est au zoologiste et entomologiste allemand Willi Hennig (1913-1976) que l’on doit ses règles logiques. Elle cherche à dégager une parenté entre les espèces, vivantes ou fossiles, fondée sur le partage de caractères uniques. L’histoire évolutive qui en découle peut être visualisée sur un arbre phylogénétique (ou cladogramme). L’arbre retenu est le plus « parcimonieux », c’est-à-dire celui qui nécessite le moins de modifications des caractères pour fonctionner. Selon l’expression du systématicien Guillaume Lecointre, la cladistique dit « qui est plus proche parent de qui » et non plus « qui descend de qui ». C’est un changement majeur par rapport aux méthodes de classification antérieures qui reposaient sur des schémas de descendance plus ou moins subjectifs.

 

le diapason de Hubble est longtemps resté la seule manière de classer les galaxies. Ce diagramme qui trace une évolution temporelle par analogie de formes est aujourd'hui dépassé. Mais par quoi le remplacer ?

 

Ordonner une avalanche de données nouvelles

Mais quel besoin a-t-on de classifier ainsi les galaxies ? De connaître leur histoire ? Ne peut-on se contenter des méthodes de classification traditionnelles ? Celles-ci, encore largement utilisées par les astronomes, se basent fondamentalement sur l’apparence. Elles ne prennent en compte que quelques unes de leurs caractéristiques : leur morphologie (le fameux diapason de Hubble), leur couleur, leur luminosité infrarouge, leur activité nucléaire… Difficile, donc, pour ces simples « catalogues d’objets » de rendre compte de la diversité (les galaxies « irrégulières », par exemple, démontrent la limite d’un tel classement : elles ne rentrent pas dans les « cases » !). De plus, le développement récent de l’observation infrarouge a réservé quelques surprises par rapport aux classifications établies sur la base du rayonnement visible : par exemple, la galaxie du Sculpteur (NGC 253), qui ressemble à une spirale serrée en lumière blanche présente soudainement en infrarouge une barre centrale… On ne voit pas forcément la même forme selon le mode d’observation !

Pour parfaire leur classification, les chercheurs utilisent aussi des analyses statistiques, dites multi-variées, qui permettent d’établir des groupes homogènes à partir d’un grand nombre de caractéristiques. Le problème est alors de savoir comment interpréter ces similitudes statistiques globales…

Reste la cladistique. Elle va tenter de décrire une galaxie, de façon complète, en examinant l’évolution de ses constituants physiques et chimiques. Plus les astronomes regardent loin, plus ils regardent dans le passé, comme des paléontologues. Classer des objets sans connaître leur histoire ne peut donc plus suffire. La cladistique cherche à pallier ce manque dans la connaissance des objets célestes.

Si l’on attendu aussi longtemps pour remettre en cause les classifications traditionnelles, c’est d’abord une affaire de quantité d’informations. Avec les armadas de très gros télescopes, des millions de données concernant des milliers de galaxies s’entassent dans les laboratoires. Il faut les synthétiser. Classer. Tacher d’appréhender la complexité et l’histoire des objets, si l’on veut mieux comprendre ce que l’on observe. Le parallèle avec l’histoire de la biologie est évident : la classification du vivant est d’abord née de besoins très pragmatiques en botanique (on soignait essentiellement par les plantes) ; elle ne s’est étendue au règne animal que lorsque le nombre d’espèces connues a commencé à devenir très important. C’est à ce phénomène de saturation qu’arrive maintenant l’astrophysique. Elle est confrontée à un changement d’échelle dans la quantité d’information collectée. Quoi de plus logique, dès lors, que d’emprunter les recettes de la biologie ?

Didier Fraix-Burnet ne s’est pas lancé seul dans cette nouvelle discipline . Contrairement à Sidney van den Bergh (1929- ), spécialiste reconnu de la classification des galaxies qui s’est essayé à l’exercice mais sans aboutir à rien de concluant, il a mis tous les atouts de son côté en s’associant d’autres compétences. Notamment celles des biologistes Philippe Choler, du Laboratoire d’´Ecologie Alpine de Grenoble, et d’Emmanuel Douzery, du Laboratoire de Paléontologie, Phylogénie et Paléobiologie de l’Institut des Sciences de l’Evolution de Montpellier. Mais aussi celle de mathématiciens, de statisticiens et, tout de même, d’un astronome, Emmanuel Davoust, de l’Institut de Recherche en Astrophysique et Planétologie à Toulouse.

A entendre Didier Fraix-Burnet, ses incursions en territoire inconnu ne laissent pas indifférents dans la communauté. Mais, pour l’instant, sans déclencher de vocation… Les données sur les galaxies nécessaires à la classification existent, pourtant, et sont facilement accessibles. Pas besoin non plus de grosse puissance de calcul pour faire tourner les algorithmes, ni de développement informatique : les logiciels de cladistique existants, basiques et non spécifiques, suffisent aux besoins naissants. Il serait donc facile à d’autres équipes de suivre la trace de Didier Fraix-Burnet. Mais il reste pour l’instant, à sa connaissance, le seul à s’être lancé dans l’aventure. De son point de vue, sa position marginale tient sans doute à un cloisonnement culturel qui à la peau dure : les physiciens resteraient réticents car non formés aux méthodes d’analyse statistiques dont sont friandes les sciences du vivant ainsi que les sciences humaines et sociales.

La galaxie du Sculpteur, une galaxie inclassable: un astre n'a pas forcément le même aspect selon la longueur d'ondes à laquelle on l'observe ; dans l'infrarouge (en haut), le Sculpteur révèle une barre d'étoiles masquée en lumière visible (en bas).

 

Des premiers résultats encourageants

En 2006, Didier Fraix-Burnet est fin prêt pour commencer à défricher un champ de recherche encore vierge. Il s’attache d’abord à détailler sa méthode d’application de la cladistique aux objets célestes dans deux articles publiés dans le Journal of Classification. La même année, il passe à la pratique sur les galaxies naines du Groupe local et en publie les résultats dans Astronomy & Astrophysics. Deux autres résultats suivront, l’un sur les amas globulaires de notre galaxie (2009), le plus récent sur le plan fondamental des galaxies (2010).

Dans l’étude pionnière sur les galaxies naines du Groupe local, l’idée est de commencer par des choses simples pour être sûr d’aboutir à quelque chose. D’où le choix d’un petit échantillon (36 galaxies), qui simplifie le travail statistique de constitution des arbres évolutifs. D’où, aussi, le fait d’étudier des objets proches, dont on peut facilement déterminer un grand nombre de paramètres physiques et chimiques : masse, composition chimique, vitesse de rotation, vitesse de dispersion… 24 caractères en tout sont pris en compte, chose difficilement réalisable avec des objets plus lointains. Résultat : un arbre phylogénétique suffisamment robuste qui permet d’identifier cinq groupes de galaxies naines différents. Selon cet arbre, la dichotomie simpliste entre galaxies sphériques et irrégulières qui prévalait jusqu’alors ne tient plus. Mieux, les deux types de galaxies seraient formés à partir d’un seul « ancêtre ». Les hypothèses sur la formation de ces galaxies naines ne sont plus du tout les mêmes selon qu’on considère un seul ou plusieurs processus de formation ! Si l’arbre dit juste, l’utilité de la cladistique est donc démontrée. Pour Didier Fraix-Burnet, ces premiers résultats concrets montrent le bien fondé de sa nouvelle approche. La méthode initiale fonctionne. Il reste maintenant à la perfectionner.

Demain, une nouvelle classification des galaxies ?

De là à bâtir une nouvelle classification des galaxies, il y a tout de même un pas de géant. Le chercheur ne l’envisage pas dans un proche avenir. Il reste de nombreuses difficultés, de nombreuses pistes à explorer. Une classification n’a d’intérêt que si elle résout un problème particulier et elle n’est jamais définitive. Dans l’immédiat, classifier n’est donc pas un objectif en soi. Ce qu’il faut, c’est d’abord mieux comprendre, en explorant divers types de galaxies. La classification viendra après. Avec les méthodes actuelles, on peut établir des cladogrammes portant sur quelques 700 galaxies. Pour obtenir une nouvelle classification complète, il faudrait pouvoir en étudier… 1 million !

En biologie, la cladistique a chamboulé les dénominations usuelles. Les groupes des reptiles ou des poissons, par exemple, n’ont plus de sens aujourd’hui, mais on continue pourtant à parler de poissons et de reptiles. L’astrocladistique, qui n’en est encore qu’à ses balbutiements est encore très loin d’être confrontée à ce genre de problème sémantique. Les galaxies spirales, elliptiques ou barrées qui nous sont familières feront partie du bestiaire astronomique pendant encore un bon moment.

 

Cet arbre phylogénétique (ou cladogramme) retrace l’histoire évolutive la plus probable pour 14 galaxies naines du Groupe local, à partir de l’étude de  24 caractères physiques et chimiques. Il s’agit de l’arbre le plus « parcimonieux », c’est-à-dire nécessitant le moins de modifications de caractères (on parle de « sauts ») depuis un type ancestral unique jusqu’à la diversité de galaxies actuelles.

A chaque embranchement, les deux nombres indiquent la robustesse du modèle : le nombre du haut correspond au « boostrap » (succession de 1000 rééchantillonnages ; le nombre indique en pourcentage combien de fois on retombe sur le même résultat ; un résultat de 70% est considéré comme assez robuste) ; le nombre du bas correspond au « decay » (le nombre de « sauts » supplémentaires qu’il faudrait pour invalider le nœud ; plus il est élevé, mieux c’est).

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  1. LE MOUELLIC Marianne Says: octobre 4, 2015 at 4:46

    Bonjour,

    Merci pour votre article qui est passionnant. J’ai 15, je suis en première scientifique et je souhaiterai suivre des études d’astrophysique et biologie. Connaissez-vous un parcours de formation qui pourrait répondre à mon rêve, ma motivation, mon impatiente attente.

    Merci par avance pour votre réponse.

    Bien cordialement

    Marianne LE MOUELLIC

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