L’énergie sombre n’est peut-être pas constante après tout

Une collaboration internationale de scientifiques a créé la plus grande carte 3D de notre univers à ce jour, basée sur les premiers résultats de l’instrument spectroscopique de l’énergie noire (DESI). Il s’agit d’une réalisation impressionnante, et d’autres sont à venir, mais la découverte la plus significative provient des nouvelles mesures de l’énergie noire réalisées par la collaboration. Ces résultats concordent à peu près avec le modèle théorique actuel de l’énergie noire, dans lequel l’énergie noire est constante dans le temps. Mais certains indices alléchants laissent entendre que cela pourrait varier au fil du temps, ce qui nécessiterait des changements par rapport au modèle dominant.

Certes, ces indices sont encore en dessous du seuil nécessaire pour revendiquer une découverte et relèvent donc de la rubrique « énorme, si vrai ». Nous devrons attendre plus de données provenant des mesures continues de DESI pour voir si elles tiennent le coup. Entre-temps, plusieurs articles approfondissant les détails techniques de ces premiers résultats ont été publiés sur arXiv, et plusieurs exposés seront présentés lors d’une réunion de l’American Physical Society qui se tiendra cette semaine à Sacramento, en Californie, ainsi qu’à Rencontres de Moriond en Italie.

« Nos résultats montrent des écarts intéressants par rapport au modèle standard de l’univers qui pourraient indiquer que l’énergie noire évolue au fil du temps », a déclaré Mustapha Ishak-Boushaki, physicien à l’Université du Texas à Dallas et membre de la collaboration DESI. « Plus nous collectons de données, mieux nous serons équipés pour déterminer si cette conclusion est valable. Avec plus de données, nous pourrions identifier différentes explications pour le résultat que nous observons ou le confirmons. S’il persiste, un tel résultat jettera un peu de lumière sur ce qui cause l’accélération cosmique et constituera un grand pas en avant dans la compréhension de l’évolution de notre univers.

Appuyer sur l’accélérateur

De quoi est fait l’univers? Le consensus actuel est que la matière ordinaire ne représente que 4 % de toute la matière de l’univers, tandis que la matière noire en représente 23 % supplémentaires. L’énergie sombre représente les 73 pour cent restants, et cette énergie noire est la force motrice derrière le taux d’expansion accéléré de l’univers.

Il fut un temps où les scientifiques croyaient que l’Univers était statique, mais cela a changé avec la théorie de la relativité générale d’Albert Einstein. Alexander Friedmann a publié un ensemble d’équations en 1922 montrant que l’Univers pourrait effectivement être en expansion, Georges Lemaitre faisant plus tard une dérivation indépendante pour arriver à la même conclusion. Edwin Hubble a confirmé cette expansion avec des données d’observation en 1929. Avant cela, Einstein avait tenté de modifier la relativité générale en ajoutant une constante cosmologique pour obtenir un univers statique à partir de sa théorie ; Après la découverte de Hubble, selon la légende, il a qualifié cet effort de sa plus grande erreur.

Les scientifiques s’attendaient à ce que si l’univers continuait à s’étendre, la force attractive de la gravité finirait par ralentir le taux d’expansion. Mais en 1998, deux équipes distinctes de physiciens ont mesuré le changement dans le taux d’expansion de l’univers, en utilisant des supernovae lointaines comme jalons. Lorsque Hubble a effectué ses mesures en 1929, les galaxies décalées vers le rouge les plus éloignées se trouvaient à environ 6 millions d’années-lumière. Si l’expansion ralentissait désormais sous l’influence de la gravité, les supernovae de ces galaxies lointaines devraient apparaître plus brillantes et plus proches que ne le suggèrent leurs décalages vers le rouge.

Au contraire, c’était tout le contraire. À des décalages vers le rouge élevés, les supernovae les plus éloignées sont plus sombres qu’elles ne le seraient si l’univers ralentissait. Au lieu de ralentir progressivement, l’expansion de l’univers s’accélère. Les dirigeants de ces deux équipes ont remporté le prix Nobel de physique en 2011. Ces résultats de 1998 ont depuis été corroborés par des mesures améliorées des supernovae, ainsi que par des mesures indirectes du fond diffus cosmologique (CMB), de la lentille gravitationnelle et de la structure à grande échelle du cosmos.

Si la matière noire est à l’origine de la gravité qui maintient l’univers ensemble, alors l’énergie noire est la force contraire qui sépare l’univers. Très tôt dans l’existence de l’univers, la matière noire dominait. Tout était plus rapproché, donc sa densité était supérieure à celle de l’énergie sombre, et son attraction gravitationnelle était plus forte, ce qui a permis aux premières galaxies de se former. Mais à mesure que l’univers continuait à s’étendre, la densité de la matière noire, et donc l’attraction gravitationnelle, diminuait jusqu’à devenir inférieure à celle de l’énergie noire. Ainsi, au lieu du ralentissement attendu du taux d’expansion, l’énergie noire, désormais dominante, a commencé à diviser l’univers à un rythme de plus en plus rapide.

La constante cosmologique d’Einstein (lambda) impliquait l’existence d’une forme de gravité répulsive. La physique quantique soutient que même le vide le plus vide regorge d’énergie sous la forme de particules « virtuelles » qui clignotent dans et hors de l’existence, se séparant et se rassemblant dans une danse quantique complexe. Cette mer agitée de particules virtuelles pourrait donner naissance à de l’énergie sombre, donnant à l’univers un petit coup de pouce supplémentaire pour qu’il puisse continuer à accélérer. Le problème est que le vide quantique contient aussi beaucoup énergie : environ 10¹²⁰ des fois trop.

L’univers devrait donc accélérer beaucoup plus vite qu’il ne l’est si l’énergie noire est essentiellement la constante cosmologique. Pourtant, toutes les observations à ce jour indiquent que c’est constant. Le meilleur ajustement théorique est connu sous le nom de modèle Lambda CDM, qui intègre à la fois une matière noire froide et une énergie sombre en interaction faible. Une théorie alternative propose que l’univers puisse être rempli d’une forme fluctuante d’énergie noire appelée « quintessence ». Il existe également plusieurs autres modèles alternatifs qui supposent que la densité de l’énergie noire a varié au cours de l’histoire de l’univers.

C’est ici que les premières découvertes potentiellement passionnantes du DESI entrent en discussion.