L’accélération de l’expansion de l’univers observable est l’une des découvertes les plus inattendues de ces dernières années. Aucun indice n’existe actuellement sur la nature de l’énergie qui en est la cause, baptisée par défaut énergie sombre. Une collaboration internationale formée de 51 chercheurs pourrait résoudre – au moins partiellement – cette énigme.

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    Intégration du spectromètre Vimos au foyer de l'un des télescopes du Very Large Telescope de l'ESO. © ESO/LAM/Observatoire de Marseille/CNRS/INSU

    Intégration du spectromètre Vimos au foyer de l'un des télescopes du Very Large Telescope de l'ESO. © ESO/LAM/Observatoire de Marseille/CNRS/INSU

    Les scientifiques ont ainsi mis à contribution l'instrument Vimos (VIsible Multi-Object Spectrograph) installé au foyer de Melipal, l'un des quatre télescopestélescopes de 8,40 mètres qui forment le VLTVLT de l'ESO (Observatoire européen austral), afin de mesurer précisément la vitessevitesse et la position de 13.000 galaxiesgalaxies situées à environ 7 milliards d'années-lumièreannées-lumière sur une zone de notre voûte céleste de 4 degrés carrés, soit environ 20 fois la taille de la pleine Lunepleine Lune, ce qui représente aussi un volumevolume de 25 millions d'années-lumière cubes.

    « En mesurant les vitesses apparentes de nombreuses galaxies au cours des trente dernières années, les astronomesastronomes ont pu reconstruire une carte tridimensionnelle de leur distribution dans l'universunivers et faire ressortir certains excédents de population dans certaines zones, qui s'assemblent en longues structures filamenteuses, explique Olivier Le Fèvre, membre de l'équipe. Mais les vitesses mesurées contiennent également des informations sur les mouvementsmouvements relatifs des galaxies, car celles-ci introduisent de petites mais significatives déformations dans les modèles théoriques. Nous avons réussi à prouver que la mesure de ces déformations à différentes époques de l'histoire de l'Univers offre la possibilité de déterminer certaines des caractéristiques de l'énergieénergie sombre. »

    Selon le chercheur, les observations en cours devraient permettre de dégager une théorie arrivant à expliquer l'accélération de l'expansion de l'Universaccélération de l'expansion de l'Univers, qui ne peut se concevoir actuellement sans faire appel à de nouvelles hypothèses venant modifier les lois fondamentales de la physiquephysique. Parmi elles, on peut envisager :

    - Une mystérieuse énergie sombre remplit la totalité de l'Univers, et fournit une force répulsive qui compense la force d'attraction et le freinage gravitationnel qui, sans elle, ramènerait à terme la totalité de la matièrematière en un point, "bouclant la boucle" avec le Big bangBig bang.

    - D'autres dimensions actuellement inconnues doivent être ajoutées à l'Univers connu, avec pour effet de modifier la théorie de la gravitationgravitation et de l'accorder avec l'observation.

    Scanner l’Univers !

    La technique utilisée fait appel à une propriété bien connue : le déplacement des galaxies résulte non seulement de l'expansion globale de l'Univers, mais aussi des perturbations locales induites par la matière présente dans leur environnement.Grâce à la mesure des vitesses d'un très grand nombre de galaxies, la structure en trois dimensions d'une part importante de l'Univers lointain a pu être reconstituée très précisément. Les positions des galaxies et leur évolution dans le temps peuvent révéler des distorsions, très légères mais significatives par rapport à leur déplacement global. Dans son ensemble, cette observation est un moyen efficace de tester la nature de l'énergie sombre.

    Image tirée d'une simulation numérique de la formation des grandes structures de l'Univers montrant un échantillon de 100 millions d'années-lumière de côté et le résultat du mouvement des galaxies glissant vers la plus grande concentration de masse au centre. Les couleurs mettent en évidence la densité de la masse de chaque zone, les régions les plus denses apparaissant en rouge. Les lignes jaunes indiquent direction et vitesse des galaxies. On peut ainsi mesurer le taux de croissance de la structure centrale, dépendant d’un subtil équilibre entre matière sombre, énergie sombre et expansion de l'Univers. Crédit : <em>ESO - Klaus Dolag and the VVDS team</em>
    Image tirée d'une simulation numérique de la formation des grandes structures de l'Univers montrant un échantillon de 100 millions d'années-lumière de côté et le résultat du mouvement des galaxies glissant vers la plus grande concentration de masse au centre. Les couleurs mettent en évidence la densité de la masse de chaque zone, les régions les plus denses apparaissant en rouge. Les lignes jaunes indiquent direction et vitesse des galaxies. On peut ainsi mesurer le taux de croissance de la structure centrale, dépendant d’un subtil équilibre entre matière sombre, énergie sombre et expansion de l'Univers. Crédit : ESO - Klaus Dolag and the VVDS team

    Sans nouvelle surprise, les données ainsi obtenues confirment la nécessité d'ajouter un paramètre dans l'évolution de l'Univers tel que nous le connaissons. Une forme simple d'énergie sombre, assimilable à la constante cosmologiqueconstante cosmologique introduite par Albert EinsteinEinstein, devient nécessaire à la compréhension de ce que nous observons, et avec la nouvelle méthode, les scientifiques arrivent à la même conclusion qu'auparavant : celle-ci compose environ 70 % de l'Univers.

    Bien que d'autres scenarios ne soient pas encore exclus au vu des incertitudes actuelles, l'avancée permis par la nouvelle méthode par rapport aux anciennes études telle le sondage de l'Univers locar par le 2dF Galaxy Redshift Survey, limitée à la mesure de l'Univers actuel, est capitale. Selon Luigi Guzzo, coordonnateur de l'étude, cette nouvelle technique devrait pouvoir déterminer avec une quasi-certitude si l'accélération de l'Univers est provoquée par une énergie d'un type inconnu, la fameuse énergie sombre, ou si une modification des lois de la gravitation est nécessaire.

    L’équipe de chercheurs

    Plusieurs des scientifiques formant l'équipe de 51 chercheurs à l'origine de cette investigation appartiennent à des laboratoires associés au CNRS. Relevons notamment le Laboratoire d'astrophysiqueastrophysique de Marseille (CNRS / Université de Provence / Observatoire astronomique Marseille-Provence), le Centre de physique théorique, (CNRS / Université de Provence / Université de la Méditerranée / Université de Toulon), l'Institut d'astrophysique de Paris (CNRS / Université Paris 6/ Observatoire des sciences de l'univers) et le Laboratoire d'astrophysique de Toulouse et de Tarbes (CNRS / Université Toulouse 3 / Observatoire Midi-Pyrénées).

    Les résultats de cette recherche ont été publiés dans Nature le 31 janvier 2008.