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Du nouveau en provenance du Cosmos

par Pierre Laharrague

Des mesures et des observations récentes montrent qu’un phénomène tout à fait inattendu est à l’œuvre dans l’Univers son expansion accélère, alors que tous les cosmologistes étaient convaincus jusqu’ici qu’au contraire elle ralentissait inexorablement à cause de l’attraction gravitationnelle qui s’exerce entre les corps (c’est parce que la masse de la Terre attire la pomme, que celle ci tombe - et que cela , dit-on, inspira à Newton la loi de la gravitation universelle). Cette constatation entraîne un renversement complet de la pensée en cours qui est un véritable défi pour les théoriciens et qui a d’ores et déjà de profondes conséquences sur le modèle cosmologique en vigueur.

Alors, en cherchant à ne pas verser dans l’ésotérisme, tentons de nous faire une idée des réflexions actuelles  :

·       en rappelant brièvement les expériences en cause.

·       en examinant succinctement les interprétations et les réflexions que cela suscite.

Les observations

En 1998, deux équipes internationales, la High-z Supernova Search Team (HzSST) et le Supernova Cosmological Project (SCP) ont publié les résultats de mesures de la luminosité de supernovae  très lointaines (il s’agit d’explosions cataclysmiques d’étoiles en fin de vie qui se produisent au rythme d’environ 3 par siècle et par galaxie en émettant une lumière considérable qui peut être observée pendant plusieurs mois ).

La luminosité mesurée était environ 25% plus faible qu’attendue. Pour expliquer cela, il y avait 2 possibilités :

    - ou bien un processus physique, à déterminer, affaiblissait la luminosité ;

    - ou bien la distance des supernovae était à revoir à la hausse. Sur le graphique ci-contre, la distance est figurée par le « redshift » ou décalage spectral vers le rouge de la lumière qui nous parvient d’astres qui s’éloignent de nous, et qui lui est proportionnel.

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La première hypothèse ayant pu être écartée, restait la seconde, c’est à dire que la vitesse d’expansion de l’Univers augmentait au lieu  de diminuer.                                                             

En 2002, deux autres équipes étudiant des phénomènes complètement indépendants des supernovae, sont parvenues aux mêmes conclusions :

    - la première, 2dFGS ( pour Two Degree Field Galaxy Redshift Survey), a analysé la lumière émise par 221383 galaxies grâce au télescope anglo-australien de Siding Spring en Australie ;

    - la seconde, Archéops (équipe française qui a passé 19 heures en ballon au dessus de la base suédoise de Kiruna), a étudié le rayonnement fossile, émis 300 .000 ans après le Big Bang, sur une grande ouverture angulaire.

Pour interpréter leurs résultats, toutes deux ont dû admettre l’accélération de l’expansion , confirmant ainsi l’hypothèse avancée par les deux premières équipes.

Recherche d’une explication :  l’énergie noire

Tout d’abord, il est essentiel de rappeler que les équations de la relativité générale d’Albert Einstein montrent que l’expansion ultérieure au Big Bang doit inéxorablement ralentir sous le seul effet de l’action gravitationnelle  : la gravité attire mais ne repousse pas. À l’époque où Einstein publia sa théorie, soit une dizaine d’années avant la découverte de  l’expansion par Edwin Hubble, tout le monde était persuadé que l’univers était statique. Pour satisfaire à ce paradigme, Einstein intoduisit arbitrairement dans ses équations un terme constant dans le but d’annuler l’attraction gravitationnelle, une sorte de gravité répulsive ou d’antigravité qu’il appela constante cosmologique. Lorsque Hubble démontra l’expansion, Einstein déclara qu’il « avait commis la plus grande erreur de sa vie » et la fameuse constante tomba en désuétude, c’est à dire que les cosmologistes lui attribuèrent une valeur nulle. Aujourd’hui, elle refait surface car, par son caractère répulsif elle offre un moyen d’expliquer l’accélération constatée de l’expansion.

En relativité, la source de la force gravitationnelle est la masse ou son équivalent, l’énergie : celle liée à la constante cosmologique est spéciale car elle est invariable dans le temps et dans l’espace et elle existe même en l’absence de matière, autrement dit, elle apparait comme une propriété du vide, ce qui est une notion surprenante à laquelle la physique quantique donnera un sens. Ainsi le Vide des physiciens , plein d’énergie, est différent du Néant des philosophes.

  L’ensemble des  résultats expérimentaux accumulés à ce jour, conduit aux conclusions suivantes :

  la matière constituant  l’univers se présente sous 2 aspects :

    - une matière ordinaire visible ( par ex. les étoiles qui brillent ), observée par nos télescopes, ne représentant que moins de 1 % d’une densité dite critique pour laquelle l’univers est plat ( on dit aussi euclidien) tel que nos sens le perçoivent.

      -  une matière invisible ( on dit aussi noire) qui comporte deux composantes :

*   de la matière ordinaire trop sombre pour être vue (par ex.les naines noires ), représentant 3 à 4 %  de la densité critique ;

*   de la matiére exotique , de nature inconnue, qui se manifeste par des effets gravitationnels mesurables sur le mouvement de corps célestes et qui représente 26 % de la dite densité.

Au total, toute la matière compte pour 30%.

À grande échelle, l’univers est plat (ou euclidien), donc sa densité est égale à la valeur critique ce qui implique que 70% manque à l’appel.

 

 C’est cette masse (ou cette énergie manquante) que les cosmologistes désigne du nom d’énergie noire.

Remarque : matière noire et énergie noire sont deux choses différentes :

    - la matière noire a un effet gravitationnel attractif

    - l’énergie noire a un effet antigravitationnel répulsif

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Quelle peut être la nature de cette énergie ?

L’énergie du vide ou son équivalent la constante cosmologique, que l’on a introduite ci-dessus est un bon candidat. Mais par quel mécanisme le vide peut il être répulsif ? La réponse tient au fait que le vide exerce une pression négative, autrement dit une tension (cf encadré), contrairement à la matière qui, elle, exerce une pression toujours positive. C’est une telle tension qui étire l’espace à l’inverse de la matière qui a tendance à le réduire.

 

Pour ceux qui aiment les formules,  sinon s’abstenir !!

1.  La pression du Vide est négative :

À partir de la relation thermodynamique :

dE = - pdv, avec E (énergie) = rv, r (énergie par unité de volume), v (volume)

p (pression) = wr (équation d’état la plus simple du milieu considéré, w est une constante de proportionnalité), on obtient par différentiation : rdv + vdr = - wrdv, d’où on tire :

                                                                dr/r = - (w+1)dv/v

L’énergie du vide étant constante, il en résulte que dr = 0, d'où w = -1  et      p = - r

2.   Le Vide a une action répulsive :

À partir des équations de la relativité d’Einstein, on obtient : R’’/R = - 4pG/3 (r+3p)R ( facteur d’échelle de l’univers),       R’’ ( accélération ).

On voit qu’avec le vide, r+3p = - 2r, donc R’’ est positif,  c’est à dire que l’expansion accélère

3. Il peut y avoir aussi accélération :  pour une substance autre que le vide :  il suffit que r+3p soit négatif, c’est à dire que  p/r < -1/3  : c’est la « quintessence » ( voir ci-dessous )

 

Mais le vide pose un très sérieux problème : calculée à partir de la physique quantique, (c’est pour cela qu’on parle souvent de vide quantique), son énergie est énorme  : elle dépasse de 120 ordres de grandeur (10120 ) la densité  de toute la matière. C’est à dire que pour être aujourd’hui du même ordre de grandeur  (0,7 comparé à 0,3 pour une densité critique ramenée par simplicité au chiffre 1, soit à peu près le double), il faut qu’un mécanisme inconnu l’ait réduite, à l’origine, de 120 ordres de grandeur. En outre, une telle densité d’énergie courberait tellement l’espace (selon la relativité générale) que l’on ne pourrait pas  « voir plus loin que le bout de son  nez». On parle alors justement de catastrophe du vide.

 Les théoriciens se tournent alors vers d’autres possibilités : une substance produisant une pression négative, mais avec une équation d’état p/r différente de celle du vide (cf encadré). Ils l’appellent du joli nom de «quintessence» par référence aux philosophes grecs qui, aux 4 éléments que sont le feu, l’eau, l’air et la terre,  avaient ajouté un cinquième pour.... empêcher les astres de tomber sur la Terre. À la différence du vide, cette équation d’état est supposée pouvoir varier avec le temps. Il existe une infinité de modèles de quintessence selon l’équation utilisée, que les physiciens comparent aux observations  (rayonnement fossile, supernovae etc..). Actuellement les données sont trop imprécises pour voir un écart significatif. Quant à la nature de la quintessence, sans préciser davantage, nous dirons que des idées existent....à défaut de certitudes .

Une autre piste qui est explorée  est celle des neutrinos, ces particules insaisissables qui interagissent très faiblement avec la matière, mais qui existent car on les a détectés. Il est postulé , par contre, qu’ils interagissent avec des particules ... inconnues et cette interaction produirait de la pression négative !

 Enfin, l’imagination de nos théoriciens étant sans limites, certains pensent que la sacro-sainte loi de la gravitation pourrait être différente aux courtes et longues distances et ils imaginent des mécanismes pour cela.

En conclusion, on voit que l’énergie noire est aujourd’hui une profonde énigme. À dire vrai, ce n’est pas une surprise car il existe un précédent : il s’agit de l’épisode inflationnaire  qui se serait produit entre 10-34 et 10-32 sec, au cours duquel  l’univers primordial se serait dilaté davantage en ce bref instant qu’il ne l’a fait depuis cette époque jusqu’à nos jours. Le moteur de cette expansion gigantesque est inconnu : on lui a donné le nom d’inflaton.

Remarque à propos de l’âge de l’univers

Les mesures les plus récentes réalisées à partir du télescope spatial Hubble et du satellite européen Hipparcos ont modifié les valeurs retenues depuis une décade sur l’âge de l’univers (entre 11,5 milliards  et 13,2 milliards d’années)  et celui des plus vieilles étoiles observées (au moins 12,5 milliards d’années),  posant à nouveau un problème ancien : l’univers ne peut pas être plus jeune que certaines étoiles !

L’hypothèse d’une énergie noire antigravitationnelle offre une solution pour « vieillir » l’univers, comme le montre le dessin ci-dessous.

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Questions encore sans réponse

  1. Quelle est la nature de l’énergie noire?

Comme on l’a vu ci-dessus, la science n’a pour l’instant que des hypothèses à proposer. De futures observations devront les départager à moins qu’elles initient de nouvelles idées ou de nouvelles énigmes. Si, en outre, on y rajoute le problème de la matière noire exotique, on constate alors que 95% du contenu de l’univers nous échappe. De quoi  inspirer au savant beaucoup d’humilité et, dans le même temps, de le stimuler dans son profond besoin de comprendre. En l’an 1150, un poète et philisophe juif, Salomon Ibn Gabirol disait  : « La connaissance, qui est le but de l’existence de  l’Homme, c’est la connaissance de l’univers tel qu’il est, et particulièrement la connaissance de la substance  première qui le porte et le met en mouvement ». Neuf siècles plus tard, ces paroles sont étonnament actuelles.

 2. Pourquoi énergie noire et énergie matière sont elles quasi égales?

Aujourd’hui, à un facteur 2 près, les deux types d’énergie sont comparables. Est-ce une coïncidence ?  

Si l’origine de l’énergie noire est  le vide, nous avons vu qu’il faut résoudre le problème de la «catastrophe du vide».

Il y a pire encore : comme le montre le graphique ci-contre, en remontant dans le temps, la densité d’énergie noire reste constante, alors que la densité d’énergie matière augmente à mesure que la taille de l’univers décroît : très tôt, l’écart était considérable et il faut imaginer un réglage d’une extrême précision pour que les deux soient égales aujourd’hui. Quasi impensable!

La quintessence, avec une énergie suceptible de varier dans le temps et dans l’espace, offrira-t-elle une alternative?

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 3. Pourquoi la somme des deux énergies  égale-t-elle la densité critique?

C’est ce qui est constaté à l’époque actuelle de l’histoire de l’univers et qui lui donne son caractère plat ou euclidien. D’aucuns se demandent si cela coincïde avec notre apparition en tant qu’êtres conscients. 

Énergie noire et énergie matière sont elles indépendantes, ou leurs  destins sont-ils liés?

Observons enfin que dans le futur, cette égalité ne devrait plus être conservée : au moins dans le cas du vide, l’énergie noire devrait prendre le dessus et, donc, l’expansion se poursuivre indéfiniment (cf.ci-dessous).

    4.  Sur le destin de l’univers

La question essentielle à laquelle l’Homme a cherché de tout temps une réponse, c’est de connaître son sort, collectivement et individuellement. Avant la découverte de l’accélération de l’expansion, le modèle en cours pévoyait pour l’avenir de l’univers :

* soit une recontraction (big crunch) si la densité d’énergie matière était supérieure à la valeur critique de 10-29 gr/cm3,

* soit une expansion éternelle si cette densité était inférieure ou égale à la densité critique.

Cela résultait des équations de la relativité générale dans lesquelles on supposait que la constante cosmologique était nulle.

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Ces scénarios sont à reconsidérer dés lors que la dite constante n’est plus nulle. Du fait que la densité de la matière ira en diminuant proportionnellement à l’augmentation du volume de l’univers et que, par contre, la densité d’énergie noire reste constante, cette dernière l’emportera inéluctablement, comme le montrent les graphiques ci -dessus, et l’expansion sera éternelle quelle que soit la densité de la matière. L’univers deviendra ainsi de plus en plus hostile à la vie.

Mais si l’origine de l’énergie noire doit être attribuée à une autre chose qui n’est plus constante mais qui varie avec le temps, les deux alternatives redeviennent possibles, selon l’équation d’état utilisée. On voit sur le graphique qu’avec la quintessence l’évolution est moins rapide et peut même s’arrêter et s’inverser (courbes en pointillé). Le futur n’est plus figé comme dans le cas précédent : l’expansion peut durer éternellement ou évoluer vers une recontraction. Rien n’empèche aujourd’hui de considérer qu’après avoir provoqué une accélération, la quintessence change et initie une période de contraction. Au « crunch », le champ est converti en matière et rayonnement, initiant un nouveau « bang » : on voit ainsi réapparaitre l’idée d’un scénario cyclique propre aux religions hindouistes.

En guise de conclusion

La découverte intervenue au tournant de ce siècle constitue un fait capital qui a surpris le monde des cosmologistes. Comme il est habituel en pareil cas, un tel événement déclenche une grande effervescence intellectuelle pour en démonter les mécanismes et en comprendre l’origine C’est ainsi que la science progresse, par bonds successifs, voire par rupture avec les paradigmes du moment.. Parmi toutes les idées avancées aujourd’hui, un tri interviendra à mesure de l’obtention des résultats de futures observations.

Ces observations, profitant d’une technologie en progrès constant, sont axées sur :

· l’étude de la luminosité de supernovae de plus en plus lointaines à partir d’installations au sol (programme franco-canadien Supernovae  Legacy Survey lancé en août 2003, programme franco-américain SN Factory lancé en octobre 2004), ou d’installations embarquées sur satellites (Super Novae Acceleration Probe en 2010).

· l’étude de minuscules inhomogénéités dans le rayonnement fossile : satellites ( MAP pour Microwave Anisotropie Probe-USA, et Planck - Europe), révélatrices de petites variations dans le taux d’expansion.

· l’étude de la distribution du nombre de galaxies avec la distance, suceptible de fournir aussi des informations sur la variation du taux d’expansion avec le temps (projet Deep Extragalactic Evolutionary Probe).

· l’étude des ondes gravitationnelles qui sont des déformations du tissu de l’univers, l’espace-temps, émises lors d’événements violents et qui peuvent ouvrir une fenêtre sur ce qui s’est passé avant 300 000 ans quand l’univers était opaque.

· les travaux en physique des particules grâce au plus grand accélérateur du monde (le LHC, prévu d’être mis en service au CERN en 2007 ) qui devraient permettre de mieux cerner la physique des premiers instants. 

Ainsi les physiciens ont-ils du pain sur la planche. Depuis que les philosophes grecs ont ouvert la voie à une cosmologie scientifique, beaucoup de chemin a été parcouru. Nous, les héritiers de ces grands penseurs, poursuivons l’oeuvre , mais nous observons que le chemin à parcourir est encore très long : plus on comprend et plus il reste à comprendre. Einstein, dont nous célèbrons cette année le centenaire de sa première communication sur la relativité qui donna une impulsion décisive à la cosmologie, écrivait : « Ce qui est incompréhensible, c’est que l’univers soit compréhensible », et un autre prix Nobel, Stephen Weinberg, disait récemment en écho : « Je pense que nous ne pourrons jamais expliquer les principes scientifiques les plus fondamentaux ».

Mais le besoin de savoir est propre à l’Homme et la quête se poursuivra donc.

Mars 2005