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.

1: La mystérieuse énergie noire

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. 2: La découverte de l'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.

2: La découverte de l'énergie noire

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. L'astrophysicien Saul Perlmutter. © The Shaw Prize. L'astrophysicien Adam Riess. © The Shaw Prize. Cette constante cosmologique. 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.

3: La pire prédiction jamais faite par la physique théorique

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. 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.

4: Énergie noire et champs de Higgs

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 , celui du fameux boson de Peter Higgs, se couple à lui-même. De ce fait, les équations qui décrivent son évolution dans le temps et l’espace font intervenir deux parties qui ressemblent à celle d’une particule se déplaçant dans une cuvette en forme de sombrero. 5: Énergie noire, théorie des supercordes et paysage cosmique. 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 ?

5: Énergie noire, théorie des supercordes et paysage cosmique

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. Le prix Nobel de physique Steven Weinberg. © Goethe Universität Frankfurt am Main.

6: Énergie noire et théories tenseur-scalaire. Futura-Sciences : Ne pourrait-on pas chercher à simplement modifier la théorie de la gravitation ?

6: Énergie noire et théories tenseur-scalaire

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. Il y a eu les tentatives des grands mathématiciens Alfred North Whitehead et Herman Weyl ainsi que du grand astrophysicien Arthur Stanley Eddington et d’Albert Einstein lui-même dès les années 1920.

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 ?

7: Énergie noire et particules caméléons

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. FS : La théorie des caméléons peut être décrite dans le cadre de théories f(R). CDM. Il y a par exemple la mission EUCLID, sur laquelle réfléchit actuellement l’ESA. 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 ?

9: Énergie noire et scénario du vide minimal

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. 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.

10: Énergie noire et futur de l'univers

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.

La cosmologie, en tant que laboratoire pour l'infiniment petit, serait donc la seule fenêtre observationnelle qui nous soit accessible. Selon la nature variable ou non de l'énergie noire, l'univers finira par un Big Crunch ou continuera éternellement son expansion.