Quatre candidates pour l’énergie noire

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Quatre candidates pour l'énergie noire
Quatre candidates pour l'énergie noire

Africa-Press – Djibouti. “Les résultats sont très surprenants, voire choquants. […] Abordez [-les] non pas avec votre cœur ou votre tête, mais avec vos yeux. Nous sommes des observateurs après tout !” Ce message électronique a été adressé le 12 janvier 1998 par l’astrophysicien Adam Riess à ses collègues de l’équipe High-Z-Supernovae. “La veille de ma nuit de noces, sous le regard courroucé de ma femme”, précisera-t-il par la suite… Quels étaient ces résultats si urgents ?

Ils concernaient rien de moins que le destin de l’Univers, et allaient être à l’origine, bien des années plus tard, de la construction de trois instruments inaugurés récemment. Le projet High-Z supernovae consistait à mesurer l’ampleur du ralentissement de l’expansion de l’Univers. La conclusion que le chercheur américain envoie à ses collègues dit précisément l’inverse: l’expansion de l’Univers accélère. Une nouvelle fracassante confirmée la même année par une seconde équipe, celle du Supernova Cosmology Project (CSP) dirigée par l’Américain Saul Perlmutter, ce qui lui vaudra le prix Nobel de physique en 2011 avec Adam Riess et Brian P. Schmidt, fondateur du projet High-Z Supernovae…

Les deux études découlent de campagnes d’observations de supernovae, ces étoiles en fin de vie qui explosent spectaculairement. Elles brillent tout à coup comme des centaines de millions de soleils, constituant de vrais phares dans l’Univers. Pour un certain type de supernovae, les “SNIa”, il est possible de déterminer la quantité de lumière qu’elles émettent à l’origine. En comparant avec l’éclat que l’on perçoit sur Terre, il est facile de définir leur distance par rapport à nous. Entre 1994 et 1997, les deux groupes étudient des dizaines de ces SNIa, notamment grâce au télescope spatial Hubble.

Les “chandelles” de l’Univers

Il s’agit d’une catégorie bien particulière de supernova dite thermonucléaire. Elle met en scène un couple d’étoiles, dont l’une au moins est une naine blanche, le dernier stade d’évolution d’une étoile de masse faible. Il n’en reste que le noyau, extrêmement dense: c’est comme si le Soleil tout entier était comprimé dans un volume de la taille de la Terre. L’attraction gravitationnelle du cadavre stellaire aspire alors la matière de sa compagne.

Cet afflux de masse comprime davantage la naine blanche. Le carbone et l’oxygène qui la composent en partie fusionnent, libérant d’importantes quantités d’énergie. Cela chauffe l’étoile jusqu’à plusieurs milliards de degrés. Elle explose alors en supernova. Malgré quelques zones d’ombre, le mécanisme est assez bien compris et permet aux astrophysiciens d’estimer la luminosité intrinsèque de la supernova de type “Ia”, et sa décroissance au fil du temps. Ce qui en fait une “chandelle standard”, une source de lumière “étalon” dans l’Univers. Les supernovae plus classiques, de type “II” impliquant une seule étoile s’effondrant sur elle-même, ont une luminosité très variable, en intensité comme en durée, et ne peuvent donc servir de repère.

C’est ainsi qu’ils constatent que ces supernovae sont environ 20 % moins lumineuses qu’attendu dans un univers tel qu’on se le représentait alors, composé uniquement de matière et d’énergie. Il grandit donc plus vite… La seule interaction capable d’agir sur de grandes distances est la gravitation, et celle-ci rapproche les corps.

Si l’expansion initiale due au Big Bang ne fléchit pas avec le temps, il faut se rendre à l’évidence: l’Univers comprend un ingrédient supplémentaire dont on sait seulement qu’il contrecarre la gravitation. Il est baptisé “énergie noire”, “Dark Energy” en anglais, dès août 1998 par Michael Turner, de l’université de Chicago (États-Unis), lors d’un colloque consacré à ce nouveau venu.

Bien que les cosmologistes aient été surpris par cette découverte, ils l’acceptent très vite, comme l’explique Francis Bernardeau, chercheur à l’Institut de physique théorique de Saclay (Essonne). “La communauté était prête à basculer car elle se confrontait à plusieurs problèmes. Des étoiles semblaient plus âgées que l’âge de l’Univers, par exemple. L’accélération du taux d’expansion signifie que l’Univers est plus vieux qu’on l’imaginait, ce qui résout le problème. L’autre souci majeur était la densité de l’Univers. La quantité de matière classique et de matière noire paraissait bien trop faible pour un univers dont la géométrie, dictée par la masse et l’énergie qu’il contient, est plane. Il manquait bel et bien quelque chose dans sa composition. ”

PREMIÈRE CANDIDATE: Constante cosmologique et énergie du vide

Ce quelque chose, c’est donc l’énergie noire, dont on estime qu’elle représente environ 68 % de l’énergie totale de l’Univers. Mais si elle permet de résoudre certaines incohérences, elle ne livre rien de sa nature. Même si, là encore, les cosmologistes ont d’emblée une candidate: la constante cosmologique. Cette dernière est intégrée aux équations de la relativité générale décrivant comment la matière et l’énergie déforment l’espace-temps par Albert Einstein lui-même. “Il l’a utilisée afin que ces équations décrivent un univers à la fois stable et fini, comme il concevait l’Univers à cette époque, 1915, où l’on ne connaissait même pas l’existence d’autres galaxies que la nôtre “, explique Francis Bernardeau.

La caractéristique de cette constante cosmologique est d’exercer une pression négative sur la matière. Mais qu’est-ce qu’une pression négative ? “À trois dimensions, c’est impossible à concevoir, prévient le physicien. Mais à une dimension, on peut se faire une idée. Il suffit pour cela de comparer l’action d’un ressort comprimé entre vos deux doigts avec celle d’un élastique étiré entre vos deux doigts. Vous sentez que le sens de la pression n’est pas le même. La pression est positive dans le premier cas, négative dans l’autre. ”

En 1927, l’astronome et cosmologiste belge Georges Lemaître démontre que l’Univers tout entier est en expansion. Le fait est confirmé par les observations de l’Américain Edwin Hubble en 1929, qui constate que les galaxies s’éloignent de nous. Patatras ! Albert Einstein doit renoncer à son univers immuable. Il rejette la constante cosmologique par la même occasion, la qualifiant de “plus grande bévue ” de sa carrière…

Avec la découverte de l’énergie noire répulsive, elle revient donc par la grande porte. Mais cela ne lui donne pas une signification physique pour autant. On peut la voir comme une propriété intrinsèque de l’espace, une propension naturelle à s’étendre. Mais d’où vient cette propension ? Mystère. Sauf à considérer une autre interprétation.

La constante cosmologique serait une propriété intrinsèque du vide de l’espace qui, selon la physique quantique, n’est pas vide. À la manière d’une écume sur l’océan, il émerge sans cesse de ce vide des particules qui disparaissent presque aussi vite. Leur énergie serait-elle l’énergie noire ? On sait donc que celle-ci représente environ 70 % de l’énergie totale de l’Univers. Mais la physique quantique prévoit une densité d’énergie bien supérieure, d’un facteur 10120 ! De ce côté-là, nous sommes donc dans l’impasse.

“Ce désaccord nous amène pour l’instant à faire le deuil d’une constante cosmologique qui serait une constante fondamentale de la nature, comme la vitesse de la lumière ou la masse de l’électron, conclut Francis Bernardeau. Si l’énergie noire n’est pas une constante fondamentale, alors elle est issue d’un processus dynamique pour lequel il faut échafauder une théorie. ”

DEUXIÈME CANDIDATE: La quintessence

L’une de ces théories, élaborée dès la découverte de l’énergie noire notamment par les Américains Robert R. Caldwell et Paul J. Steinhardt, porte le joli nom de “quintessence”. C’est une allusion à la “cinquième essence”, qui évoque le concept d’éther remontant à l’Antiquité. Jusqu’au 19e siècle, on supposait qu’il servait de support aux ondes lumineuses… La quintessence s’inspire de l’inflation cosmique, cette formidable dilatation de l’espace-temps alors que l’Univers avait autour de 10-34 seconde. Après tout, l’énergie noire dilate aussi l’Univers, même si c’est de façon bien plus mesurée.

L’ennui, c’est que si l’inflation est aujourd’hui communément admise, le mécanisme qui en est à l’origine reste inconnu. Mais il y a des hypothèses, comme celle de la présence d’un champ scalaire. Ce concept délicat revient à considérer que les particules se trouvent uniquement sous la forme d’un champ d’énergie. C’est un peu comme lorsque vous versez des gouttes d’eau dans un verre: elles cessent d’exister sous la forme de gouttes pour former une petite flaque. Ici, on oublie les particules pour ne considérer que des champs.

“L’avantage de la théorie des champs, c’est que l’on peut trouver des configurations où la pression exercée par le champ est négative. Il pourra donc jouer le rôle dynamique de quelque chose qui repousse”, souligne Francis Bernardeau. Par ailleurs, ces champs scalaires existent: le fameux boson de Higgs par exemple, responsable de la masse des particules, est la particule associée au champ scalaire de Higgs. Mais il reste à trouver quel est le champ responsable de l’énergie noire…

TROISIÈME CANDIDATE: Une modification de la relativité générale

Les autres pistes sont plus surprenantes encore… Comme la remise en cause de la théorie de la relativité, autrement dit de la gravitation elle-même. “On sait que la théorie de la gravitation d’Einstein est incomplète puisque lorsqu’on se rapproche du centre d’un trou noir, elle ne peut décrire ce qui s’y passe, explique David Elbaz, directeur scientifique du département d’astrophysique du Commissariat à l’énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA), à Saclay. Donc si la théorie ne fonctionne pas pour l’extrêmement petit, on peut supposer qu’elle échoue aussi dans l’infiniment grand. Or, par un étrange hasard, quand je regarde les grandes distances dans l’Univers, je m’aperçois que la gravitation ne fonctionne effectivement pas. Ou en tout cas, elle me donne à penser qu’il existe une mystérieuse énergie noire qui accélère l’expansion de l’Univers. Alors qu’il s’agit peut-être tout simplement de réécrire les équations de la relativité générale, sans invoquer cette énergie noire. Ce sont ce que l’on appelle les théories modifiées de la gravitation, qui intéressent beaucoup de théoriciens ici au CEA… ”

QUATRIÈME CANDIDATE: La théorie holographique

La remise en cause des théories actuelles peut aller encore bien au-delà, avec l’holographie par exemple (lire S. et A. n° 920, p. 35). Le principe holographique implique que les phénomènes gravitationnels dans un espace à trois dimensions peuvent être décrits par des champs quantiques situés sur la frontière à deux dimensions de cet espace. Comme si toutes les informations d’une sphère étaient contenues à sa surface.

“Dans certains cadres théoriques, on peut ainsi décrire l’Univers uniquement à partir de deux dimensions d’espace, détaille David Elbaz. Cela nous amène à questionner la structure même de l’espace-temps. Un théoricien comme le Néerlandais Erik Verlinde explique ainsi que l’accélération de l’expansion de l’Univers est la conséquence d’une illusion d’une troisième dimension ! L’énergie noire peut nous entraîner vraiment très loin… ”

On saisit davantage l’effort sans précédent déployé en cosmologie pour l’étudier, avec trois instruments consacrés à cette exploration: DESI à l’observatoire de Kitt Peak en Arizona (États-Unis), le télescope spatial européen Euclid et le télescope américain de grande taille Vera-Rubin… “Tous ces instruments ont un même objectif: étudier l’évolution de l’énergie noire au fil du temps, résume Francis Bernardeau. Car selon la théorie considérée, cette évolution ne sera pas la même. Dans le cas de la quintessence par exemple, l’énergie noire se dilue un peu au fil du temps… Son action dans le passé est donc renforcée. Tandis que si l’énergie noire est en réalité une propriété intrinsèque de l’espace-temps, une ‘constante cosmologique’, alors elle ne se dilue pas. ” Voilà pourquoi les différents instruments auront en commun de cartographier l’Univers jusqu’à des époques très reculées.

L’objectif est d’observer l’organisation de la matière, qu’il s’agisse de galaxies, d’amas de galaxies ou d’amas d’amas, tout en tenant compte de l’influence constante de la gravitation en compétition avec l’énergie noire. Les premiers résultats devraient arriver cette année (DESI) et 2025 (Euclid). Les astrophysiciens se gardent bien de faire des pronostics. “Je suis agnostique lorsqu’il s’agit de choisir une hypothèse plutôt qu’une autre, confie Francis Bernardeau. Nous commençons seulement l’étude de l’expansion de l’Univers avec cette génération d’instruments conçus pour cela. Selon ce qu’ils trouveront, ils détermineront les prochaines expériences à mener. Un nouveau cycle débute pour la cosmologie, mais aussi pour toute la physique. C’est enthousiasmant, mais il faudra être patient. ”

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