Dossier - Energie noire (sombre)

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1: La mystérieuse énergie noire La découverte imprévue de l’expansion accélérée de l’univers en 1998 a nécessité de reconsidérer une vieille énigme de la physique et de la cosmologie, remontant aux travaux d’Einstein : celle de la constante cosmologique. Étroitement liée à la notion d’énergie du vide quantique, l'expansion accélérée impliquerait que plus de 70 % du contenu de l’univers est sous forme d’une énergie inconnue. Face à cette énergie inconnue, celle équivalent à la masse de la matière composant les étoiles et les cellules de notre corps apparaît comme une quantité presque négligeable. Cette énergie mystérieuse, signalant peut-être une nouvelle physique au-delà du modèle standard, a reçu le nom d’« énergie noire » (Dark energy en anglais). Plusieurs explications théoriques ont été proposées à son sujet et ce dossier a pour but de passer en revue certaines d’entre elles, parmi les plus prometteuses. 1: La mystérieuse énergie noire
En 1998, deux équipes d’astrophysiciens menées respectivement par Saul Perlmutter et Adam Riess, firent une découverte qui allait révolutionner la cosmologie et déclencher d’intenses débats dans le milieu de la physique théorique, notamment dans le domaine spéculatif de la théorie des supercordes. Alors que la théorie standard du Big Bang, couplée aux observations faites jusque là, prévoyait un ralentissement de l’expansion de l’univers, celle-ci semblait s’être accélérée depuis quelques milliards d’années. La supernova SN 1994d dans la galaxie NGC 4526. © Nasa/Esa, The Hubble Key Project Team, The High-Z Supernova Search Team. Pour faire cette découverte, les astrophysiciens avaient patiemment cherché à détecter la lumière émise par l’explosion de supernovae de type SN Ia dans des galaxies situées à plusieurs milliards d’années-lumière de la Voie lactée. 2: La découverte de l'énergie noire 2: La découverte de l'énergie noire
3: La pire prédiction jamais faite par la physique théorique Devant l’enjeu et la difficulté du sujet qu’est la nature de l’énergie noire, Futura-Sciences s’est tourné vers l’un des grands spécialistes français de ce sujet, Philippe Brax, à qui l’on doit d’ailleurs déjà un dossier Futura-Sciences portant sur les frontières de la cosmologie moderne : La cosmologie, laboratoire pour l'infiniment petit. Membre de l'institut de physique theorique du CEA à Saclay, il a été le collaborateur de Neil Turok, l’actuel directeur du Perimeter Institute for Theoretical Physics, il a bien voulu répondre à nos questions. Le lecteur profitera certainement de la lecture d’autres dossiers Futura-Sciences, comme celui portant sur la relativité générale. Le théoricien de la cosmologie : Philippe Brax. © Philippe Brax. Futura-Sciences : on présente parfois le problème de la constante cosmologique comme « la pire prédiction jamais faite par la physique théorique ». 3: La pire prédiction jamais faite par la physique théorique
4: Énergie noire et champs de Higgs 4: Énergie noire et champs de Higgs Futura-Sciences : Les fluctuations quantiques avec l’énergie de point zéro ne sont pas les seules manières d’obtenir une densité d’énergie dans le vide se comportant comme une constante cosmologique. On sait que le fameux mécanisme de Higgs, utilisé pour donner une masse aux particules, peut aussi contribuer à l’énergie du vide. N’y a-t-il pas là une direction de recherche à explorer ? Philippe Brax : En effet, on sait que le champ de Higgs
Futura-Sciences : La théorie des supercordes, qui est justement la meilleure candidate au titre de théorie unifiée des interactions et surtout de théorie quantique de la gravitation, ne propose-t-elle pas de résoudre le problème de la constante cosmologique de cette façon ? Philippe Brax : L’idée de base est effectivement un peu la même. En fait, la théorie des cordes introduit tout à la fois des champs supplémentaires et d’autres dimensions spatiales. Ces dernières nous seraient cachées parce que constituées de formes géométriques analogues à des bretzels et de très petites tailles. Dans ces dimensions spatiales supplémentaires compactifiées, formant ce qu’on appelle des espaces de Calabi-Yau, les champs supplémentaires s’y comportent un peu comme des champs magnétiques avec des énergies associées variant à la façon des niveaux d’énergies d’un atome. 5: Énergie noire, théorie des supercordes et paysage cosmique 5: Énergie noire, théorie des supercordes et paysage cosmique
6: Énergie noire et théories tenseur-scalaire 6: Énergie noire et théories tenseur-scalaire Futura-Sciences : Ne pourrait-on pas chercher à simplement modifier la théorie de la gravitation ? On sait que plusieurs alternatives à la théorie d’Einstein ont été proposées. Philippe Brax : En effet, et cela a d’ailleurs commencé quelques années seulement après la publication par Einstein de la forme finale de sa théorie de la relativité générale, en 1916.
7: Énergie noire et particules caméléons Futura-Sciences : On ne peut donc pas faire intervenir une théorie tenseur-scalaire ou f(R) pour expliquer l’énergie noire ? Philippe Brax : En fait si ! Dans un article, publié en 2004 par Carsten van de Bruck, Anne-Christine Davis, Justin Khoury, Amanda Weltman et moi-même, nous avons montré qu’il existait une théorie tenseur-scalaire dont la masse de la particule associée au champ scalaire était fonction de la densité de l’environnement dans lequel elle se trouvait. Elle serait donc légère dans le vide inter-amas et lourde dans une étoile comme le Soleil. Cette particule s’adaptant en quelque sorte à son environnement, on lui a tout naturellement donné le nom de « particule caméléon ». De cette façon, il est possible de concilier aussi bien les observations dans le Système solaire qu’au niveau des amas de galaxies. 7: Énergie noire et particules caméléons
Futura-Sciences : Certains physiciens, tout en admettant la réalité de l’accélération récente de l’expansion de l’univers, pensent qu’avant d’invoquer de la nouvelle physique, il faudrait peut-être chercher du côté des hypothèses sur lesquelles les modèles cosmologiques sont construits à partir de la relativité générale. Ils proposent de remettre en cause l’hypothèse d’homogénéité. Que faut-il en penser ? Philippe Brax : C’est une direction de recherche qui est de plus en plus explorée depuis quelques années. Pour bien comprendre de quoi il s’agit il faut en revenir aux hypothèses de bases de la cosmologie moderne. 8: Énergie noire et homogénéité de l'univers 8: Énergie noire et homogénéité de l'univers
9: Énergie noire et scénario du vide minimal Futura-Sciences : Peut-on justifier le principe cosmologique par des observations ? Philippe Brax : On a cherché à le faire en sondant l’univers de plus en plus loin et en mesurant les distributions de galaxies et de radiosources comme les quasars, de plus en plus précisément. Parmi les relevés de galaxies, on a en particulier eu le Sloan Digital Sky Survey (SDSS), celui de Las Campanas et enfin celui d’APM. 9: Énergie noire et scénario du vide minimal
10: Énergie noire et futur de l'univers 10: Énergie noire et futur de l'univers Comme vient de nous le montrer Philippe Brax, la nature de l’énergie noire est un sujet fort riche avec une pléthore de modèles théoriques possibles, dont certains n’ont malheureusement pas été mentionnés ici. Pour ceux qui souhaitent en savoir plus, ce dossier se termine par quelques liens techniques comportant eux-mêmes une large bibliographie. Nous avons vu que l’étude de l’énergie noire était susceptible d’apporter des informations sur de la physique au-delà du modèle standard. Il est bien possible que ce soit l’unique moyen de tester des théories de gravitation quantique spéculatives, comme la supergravité, la théorie des supercordes ou la gravitation quantique à boucles.