Les candidats à l’énergie sombre

 

La constante cosmologique Λ est un paramètre ajouté par Einstein à ses équations de la relativité générale dans le but de rendre sa théorie compatible avec l’idée d’un Univers statique. Abandonnée suite à la découverte de l’expansion de l’Univers, elle a été remise au goût du jour après la révélation de l’accélération de ladite expansion.

L’accélération de l’expansion de l’Univers

En 1998, afin de vérifier si l’expansion de l’Univers ralentissait ou accélérait, deux équipes de chercheurs menées par Saul Perlmutter, du Laboratoire national Lawrence-Berkeley de l’Université de Californie et Adam Riess, de l’Institut des sciences du télescope spatial de l’université Johns-Hopkins à Baltimore, ont réussi, en étudiant des supernovæ, à établir le taux d’expansion de l’Univers à différentes époques. Ils se sont aperçu qu’après avoir ralenti durant les 7,6 milliards d’années qui ont suivi le Big Bang, cette expansion a commencé à accélérer. Les astrophysiciens, qui s’attendaient à observer un ralentissement continu sous l’effet de la gravité, ont alors dû envisager l’existence d’une énergie inconnue se comportant comme une anti-gravité. Les deux cosmologistes furent récompensés par le prix Nobel de physique en 2011.

L’interprétation la plus simple de la découverte de l’accélération de l’expansion de l’Univers est qu’il existe une forme d’énergie, appelée énergie sombre ou énergie noire, aux propriétés hors normes, puisque sa pression devrait être négative. Cette énergie représente 70 % environ de la masse de l’Univers. Comme la matière noire en représente le quart, cela signifie que nous ignorons de quoi est fait 95 % du contenu de notre Univers.

 

Une force répulsive accélérant l’expansion

L’énergie sombre semble être associée au vide du cosmos. Distribuée de façon uniforme dans l’Univers, elle n’a pas d’action gravitationnelle locale, mais plutôt un effet global sur l’Univers dans son entier. Il en résulte une force répulsive tendant à accélérer l’expansion, dont le taux et l’accélération peuvent être mesurés par des observations ainsi que par l’application de la loi de Hubble-Lemaître. Ces mesures, associées à d’autres données scientifiques, ont confirmé l’existence d’une énergie sombre ; elles donnent une estimation de la quantité que représente cette substance mystérieuse.

Si la nature de l’énergie sombre est toujours inconnue et si aucune détection directe de celle-ci ne semble envisageable à l’heure actuelle, plusieurs candidats tentent d’expliquer ce phénomène. En voici un florilège.

 

Au CERN, l’anneau de décélération Elena réduit l’énergie d’antiprotons afin de les associer à des positrons pour produire des atomes d’antihydrogène, utilisés pour tester le comportement de l’antimatière dans un champ gravitationnel. (© 2016-2019 Cern, Maximilien Brice ; Jean-François Dars/Photothèque CNRS)

Le modèle ΛCDM

Le sigle ΛCDM (Lambda – Cold Dark Matter) désigne un modèle cosmologique du Big Bang paramétré par la constante cosmologique (symbolisée par la lettre grecque Λ). C’est le modèle le plus simple permettant de rendre compte des propriétés du cosmos, à savoir l’existence et la structure du fond diffus cosmologique, la structure à grande échelle de l’Univers observable et la distribution des galaxies, l’abondance des éléments légers (hydrogène, hélium, lithium), ainsi que l’accélération de l’expansion de l’Univers.

Le modèle ΛCDM a été développé à la fin des années 1990 après une période où plusieurs observations de l’Univers semblaient incompatibles et où aucun consensus n’existait sur la nature des densités d’énergie. Il représente un Univers homogène et isotrope, dont la courbure spatiale est nulle, qui contient de la matière noire et de l’énergie sombre en plus de la matière ordinaire.

 

La constante cosmologique

La constante cosmologique est un paramètre ajouté par Einstein en 1917 à ses équations de la relativité générale, dans le but de rendre sa théorie compatible avec l'idée qu’il avait d’un l’Univers statique, alors que ses équations prévoyaient déjà un Univers en expansion ! Abandonnée suite à la découverte de ladite expansion, dans la première moitié du XX^e siècle, la constante cosmologique a été rétablie après la révélation de l’accélération de cette expansion. Elle décrirait une force – encore hypothétique – qui serait un excellent candidat à l’énergie sombre, car elle correspond à une répulsion de l’espace par rapport à lui-même.

Le mécanisme suivant lequel la constante cosmologique se manifeste reste mystérieux ; sa principale conséquence est qu’elle induit une sorte d’anti-gravité. Elle a le même effet qu’une densité d’énergie du vide, associée à une pression négative. Exprimée en m^–2, elle a la dimension d’une courbure de l’espace, correspondant à la densité moyenne d’énergie du vide à des échelles cosmologiques. Les données de la mission Planck lui donnent la valeur Λ = 1,11 x 10^–52 m^–2.

 

Les modèles bimétriques proposent une extension de la relativité générale pour expliquer la nature de la matière noire et de l’énergie sombre.

 

La quintessence

La quintessence est un autre concept qui propose une explication à l’hypothétique énergie sombre. Le terme a été utilisé par Aristote, qui ajouta aux quatre éléments d’Empédocle – la terre, l’eau, l’air et le feu –, un cinquième, la quintessence ou l’éther, constituant des astres.

En cosmologie, la quintessence est un champ scalaire dont l’équation d’état relie la pression à la densité d’énergie. Cette équation comporte un terme qui évolue lentement au cours du temps, sur de longues périodes, et qui peut présenter des fluctuations dans l’espace. La quintessence est donc une quantité dynamique, qui fait également allusion au fait qu’il existe dans l’Univers quatre types de matières – ou d’énergie puisque toutes deux sont équivalentes selon la formule E = mc² énoncée par Einstein en 1905 – : la matière baryonique, composant les atomes, les photons, qui sont dépourvus de mase, les neutrinos, qui interagissent très faiblement avec la matière, et la matière noire, dont la nature est encore inconnue. Selon le concept de la quintessence, l’énergie sombre correspondrait à une cinquième forme d’énergie présente dans l’Univers.

 

L’antimatière

Contrairement à la mystérieuse matière noire, dont on ne sait à peu près rien, pas même si elle existe, l’antimatière, découverte en 1931 par le physicien britannique Paul Dirac, n’a plus rien de spéculatif. Et elle commence à nous livrer ses secrets, dans les laboratoires du CERN.

Directeur de recherche au CNRS, le physicien Gabriel Chardin pense que la réponse aux grandes énigmes de la matière noire et de l’énergie sombre se trouve dans l’antimatière. Il s’en explique dans son dernier ouvrage, L’Insoutenable Gravité de l’Univers (Le Pommier, 2018). C’est dans ce contexte que se prépare au CERN une expérience qui permettra de tester l’hypothèse sur laquelle repose le modèle d’Univers de Dirac-Mine qu’il étudie depuis une douzaine d’années et qu’il propose comme alternative au modèle cosmologique standard. Cette hypothèse, que va tenter de valider ou d’invalider l’expérience Alpha du CERN, est celle que l’antimatière « antigravite », c’est-à-dire qu’elle subit les effets de la gravité « à l’envers » et qu’elle serait tout simplement l’énergie sombre.

 

La masse négative aurait des propriétés gravitationnelle et inertielle autres que celles de la masse positive. Elle serait soumise à une force gravitationnelle répulsive et déformerait différemment l’espace-temps.

 

Les modèle bimétriques et les masses négatives

En postulant que deux métriques sont nécessaires pour décrire la gravitation, les modèles cosmologiques bimétriques constituent une autre approche de l’énergie sombre. Les théories de la gravité bimétrique ou bigravité font appel à la notion de gravité répulsive ou antigravitation, qui introduit des masses négatives et des états d’énergie négative en tant qu’alternative à la matière noire et à l’énergie sombre.

En 2013, deux chercheurs de l’Université de Montréal, Jonathan Belletête et Manu Paranjape, démontrèrent mathématiquement la possibilité d’existence de masses négatives à l’intérieur d’un espace-temps de type non asymptotique, c’est-à-dire pour un univers dont l’expansion est exponentielle. En 2018, l’Université d’Oxford annonça que Jamie Farnes, un cosmologiste, astrophysicien et radioastronome britannique, avait peut-être résolu à la fois les problèmes d’énergie sombre et de matière noire, en utilisant un nouveau modèle de masse négative apportant un nouvel équilibre à l’Univers.

En physique théorique, la masse négative est un concept postulant l’existence de masses négatives, tout comme il existe des charges électriques positives et négatives. Cette masse négative aurait des propriétés gravitationnelles et inertielles différentes de celles de la masse « normale », qui est conventionnellement positive. Elle présenterait des caractéristiques étranges, comme une force gravitationnelle répulsive ou une accélération dont l’orientation est opposée à la force à laquelle elle est soumise.

Alors que les masses positives s’attirent par la force de gravitation, les masses négatives non seulement se repoussent, mais elles repoussent aussi les masses positives, ce qui entraîne un mouvement de « fuite » qui expliquerait, l’expansion de l’Univers telle qu’elle est observée. Les théoriciens ont d’ailleurs démontré que l’existence de masses négatives est parfaitement compatible avec la relativité générale. Par ailleurs, certaines observations d’amas de galaxies auraient besoin de ce concept pour être expliquées. Notons par ailleurs qu’il ne faut pas confondre la masse négative avec l’antimatière qui, elle, a une masse positive, comme la matière ordinaire.

 

L’invariance d’échelle du vide

En se basant sur l’hypothèse d’invariance d’échelle du vide, c’est-à-dire que les propriétés du vide ne sont pas modifiées suite à une dilatation ou une contraction, le professeur André Maeder de l’Université de Genève reconsidère le modèle actuel de l’Univers. Selon lui, le modèle communément admis du Big Bang, qui fait appel à la matière noire et à l’énergie sombre, ne tiendrait pas compte de l’invariance d’échelle du vide.

André Maeder propose donc d’ajouter aux équations d’Einstein sur la relativité générale et de Newton sur la gravité universelle, un terme mathématique qui décrit le vide et ses propriétés. Ce nouveau modèle, dont les premiers tests semblent corroborer les observations, permettrait de se passer aussi bien de la matière noire que de l’énergie sombre.

 

Le télescope Mayall de 4 m de diamètre de l’Observatoire de Kitt Peak en Arizona recueillera, au cours des cinq prochaines années, les spectres optiques de quelque 35 millions de galaxies et de quasars. (© P. Marenfeld & NOAO/AURA/NSF)

 

L’énergie fantôme

En cosmologie, l’énergie fantôme désigne une forme hypothétique d’énergie dont la densité aurait la particularité d’augmenter lors de l’expansion de l’Univers. Cette énergie est un candidat potentiel à l’énergie sombre. Elle serait responsable d’un emballement de l’expansion de l’Univers, au cours duquel l’accélération de l’expansion s’accompagnerait d’une augmentation de la densité d’énergie sombre, qui causerait un éloignement des différents objets célestes les uns des autres, puis une dislocation de ceux-ci. La densité d’énergie sombre atteindrait en un temps fini une valeur infinie, entraînant la fin de l’Univers. C’est le modèle cosmologique du « Big Rip », qui décrit un Univers éternellement en expansion, de plus en plus froid et de plus en plus vide, par opposition au « Big Crunch », qui prévoit son effondrement.

 

La théorie d’Horndeski

La théorie d’Horndeski est une théorie de la gravité en quatre dimensions. Elle a été proposée pour la première fois par Gregory Horndeski en 1974 et a trouvé de nombreuses applications, en particulier dans la construction de modèles cosmologiques de l’inflation et de l’énergie sombre. Elle contient de nombreuses théories de la gravité, incluant la relativité générale, la théorie de Jordan-Brans-Dicke, la quintessence, ou encore la théorie Covariant Galileon.

 

Installation du cryostat d’un spectrographe sur le site du télescope Mayall. Le cryostat est équipé d’un tube pulsé qui lui assure un refroidissement à 140 K, stable à +0,1 K. (© P.-H. Carton/Irfu)

 

Le projet DESI

Le projet Dark Energy Spectroscopic Instrument (DESI) mené par les États-Unis, a pour objectif de cartographier le ciel pour mesurer l’expansion accélérée de l’Univers, afin de découvrir la nature de l’énergie noire. Ce projet, auquel des physiciens de l’EPFL ont contribué, entre dans sa phase finale de test et de mise en service du télescope Mayall, qui devrait commencer ses observations début 2020. La première publication importante de données est attendue pour 2021.

Installé sur le télescope Mayall de 4 m de diamètre de l’Observatoire de Kitt Peak en Arizona, le projet DESI comprend dix spectrographes et cinq mille robots capables de positionner, avec une très grande précision, autant de fibres optiques en direction des astres à étudier. Il recueillera, au cours des cinq prochaines années, les spectres de quelque 35 millions de galaxies et de quasars pour créer une carte en 3D couvrant l’Univers proche, jusqu’à 11 milliards d’années-lumière, espérant ainsi mieux cerner la nature de l’énergie sombre.

En analysant en détail la distribution de ces astres, les scientifiques pourront calculer l’expansion de l’Univers en fonction de la lumière qu’ils émettent. Le télescope pourra parcourir quelque 5000 galaxies toutes les vingt minutes pour mesurer la distance de près d’un million d’entre-elles.

Des scientifiques de l’EPFL ont contribué à mettre au point la stratégie de ciblage du projet, afin de déterminer quelles galaxies allaient être observées, ainsi qu’à créer le système robotique de positionnement des fibres. Ce dernier a été réalisé dans le cadre du groupe interdisciplinaire Astrobots, qui comprend le Laboratoire d’astrophysique (LASTRO) de l’EPFL, ainsi que la Faculté Sciences et Techniques de l’Ingénieur. Le groupe Astrobots a également fourni la plupart des éléments utilisés pour la construction des robots positionneurs de fibres, qui ont été fabriqués par les entreprises maxon motor en Suisse et Namiki au Japon. L’EPFL et le Fonds national suisse de la recherche scientifique ont apporté une contribution de près d’un million de francs au projet DESI.

Avec DESI les astrophysiciens espèrent pouvoir reconstituer 11 milliards d’années d’histoire cosmique et tenter de répondre à une question qui les taraude : l’énergie noire est-elle une force uniforme dans l’espace et dans le temps ou a-t-elle évolué ?

 

Que nous réserve l’avenir ?

L’énergie sombre résiste toujours à la sagacité des cosmologues, mais à peine depuis plus de vingt ans. C’est en effet en 1998 que deux astronomes américains mirent en évidence l’accélération de l’expansion de l’Univers et envisagèrent l’existence d’un énergie inconnue aux propriétés atypiques. Quant à la matière noire, c’est en 1933 – il y a plus de 85 ans – que l’astronome suisse Fritz Zwicky révéla qu’il existe une matière cachée quelque part dans l’Univers. Mais à l’heure actuelle, aucune expérience n’a encore réussi à élucider ni le mystère de l’énergie sombre, ni la nature de la matière noire. Ces deux concepts ne seraient-ils que des illusions imaginées par des scientifiques pour expliquer des phénomènes qui les dépassent ?

Il semblerait toutefois, qu’en ce qui concerne la matière noire surtout, les efforts de recherche pourraient bientôt aboutir à la découverte des WIMP, des particules qui nécessiteraient une extension du modèle standard des particules. Quant à l’énergie sombre, le modèle standard de la cosmologie et la relativité générale semblent actuellement insuffisants pour répondre à certaines questions, concernant la gravitation notamment, si bien qu’ici aussi, des extensions sont envisagées, la supersymétrie, notamment. Une nouvelle physique sera probablement nécessaire pour pouvoir expliquer ces phénomènes.

 

Le projet DESI comporte cinq mille « yeux » qui vont scruter l’expansion de l’Univers. (© Nik Papageorgiou ; source : Mediacom)

Le précédent de l’éther

Ces interrogations nous ramènent à la question de l’existence ou non de l’éther, ce fluide mythique qui a obsédé les philosophes pendant… plus de vingt siècles ! En effet, c’est au IV^e siècle avant notre ère qu’Empédocle (495-435 av. J.-C), à qui l’on doit la théorie des quatre éléments – la terre, l’eau, l’air et le feu –, parle de l’éther comme d’une entité différente, la forme de l’air la plus pure. Un siècle plus tard, Aristote en fit le constituant des astres. Platon voit en l’éther un nouvel élément, qui n’existe que dans la sphère céleste et dont la particularité est de se mouvoir sans avoir besoin d’une force extérieure.

Au cours des siècles, cette substance mystérieuse, distincte de la matière, était censée transmettre certains effets sur les corps. Descartes avait besoin de l’éther pour expliquer la trajectoire des planètes et Newton comme agent transmetteur de la force de gravité qu’il venait de découvrir. Maxwell (1831-1879) pensait que les ondes électromagnétiques et la lumière ne pouvaient se propager que sur un support – l’éther – baignant l’Univers tout entier.

Ce n’est qu’en 1887, avec l’expérience de Michelson-Morley sur la vitesse de la lumière, qu’il fallut se rendre à l’évidence : l’éther n’existe pas. Et le coup de grâce fut donné en 1905 par Einstein – encore lui –, qui démontra qu’aucun éther n’est nécessaire pour que la lumière puisse se propager et que la physique n’en a nul besoin. Alors, la matière noire et l’énergie sombre sont-elles vraiment nécessaires pour comprendre le cosmos ? On espère que l’avenir nous le dira.

 

La loi de Hubble-Lemaître La loi de Hubble-Lemaître (anciennement loi de Hubble) énonce que les galaxies s’éloignent les unes des autres à une vitesse approximativement proportionnelle à leur distance. Sa formule s’écrit simplement v = H0d, où H0 est la constante de Hubble et d la distance. L’indice 0 indique la valeur de la constante à l’instant présent. Celle-ci, en effet, diminue rapidement dans le temps. Mais comme depuis quelques milliards d’années, le facteur d’échelle d augmente plus vite que H diminue, il y a accélération de l’expansion. Le taux d’expansion actuel de l’univers est donné par la constante de Hubble issue de la loi de Hubble-Lemaître. Bien que dénommé « constante », ce paramètre cosmologique varie en fonction du temps. Il décrit donc le taux d’expansion de l’univers à un instant donné. Sa valeur mesurée par la mission Planck le 18 juillet 2018 est de 67,4 ±0,5 km·s–1 Mpc–1. Le parsec (pc) étant défini comme valant 648’000/π unités astronomiques, soit environ 3,26 années-lumière.