Dernières nouvelles de l'énergie noire : elle pourrait varier dans le temps et, pourquoi pas, recontracter l'Univers

EinsteinEinstein nous a appris que l'énergie courbe l'espace-temps, lequel peut en réponse devenir dynamique de sorte que l'espace peut se retrouver en expansion ou en contraction, comme le montrent les calculs avec les équations de la théorie de la relativité générale. La pression P est équivalente à une densité d'énergie ρ et c'est pourquoi un terme de pression dans ces équations peut engendrer là aussi une expansion ou une contraction.

Il existe une équation reliant la pression et la densité d'énergie du cosmoscosmos observable, densité d'énergie qui peut résulter de la présence de matièrematière ordinaire ou de matière noirematière noire et bien sûr les deux, et d'une autre composante comme la fameuse constante cosmologiqueconstante cosmologique d'Einstein. On parle d'une équation d'état et elle s'écrit avec un paramètre w tel que P = wρ.

Une accélération de l'expansion qui n'est pas causée par l'énergie noire ?

Nous savons aussi depuis la fin des années 1990 que l'expansion du cosmos observable s'accélère depuis environ 5 milliards d'années. Un prix Nobel a été décerné aux découvreurs de cette accélération tel Saul Perlmutter. Il faut rappeler que ce prix récompense la découverte de l'accélération et pas celle de ce qui pourrait la causer, à savoir généralement, mais pas obligatoirement comme le pense Thomas Buchert et qui fait débat, ce que l'on appelle l'énergie noireénergie noire dont il existe plusieurs interprétations possibles. Et justement, selon les interprétations, w n'a pas la même valeur.

On pourrait imaginer une énergie noire qui évolue dans le temps et qui au lieu d'accélérer l'expansion pour l'éternité, conduisant les galaxiesgalaxies à devenir si éloignées les unes des autres qu'un observateur dans l'une d'entre elles ne pourra plus les voir, finira par avoir un comportement inverse et changera l'expansion en contraction, peut-être pour produire finalement un nouveau Big BangBig Bang après un Big CrunchBig Crunch.

On comprend bien qu'il est du plus haut intérêt pour connaître le destin de l'UniversUnivers et donc le nôtre, nous qui sommes des poussières d'étoilesétoiles comme aimait à le dire le regretté Hubert Reeves, de déterminer la valeur du paramètre w. C'est pour tenter de le mesurer avec plus de précision qu'a été lancé il y a des années le programme d'observation appelé le Dark Energy Survey (DES).

C'est une collaboration internationale comprenant plus de 400 astrophysiciensastrophysiciens, astronomesastronomes et cosmologues de plus de 25 institutions dirigées par des membres du Fermi National Accelerator Laboratory du département américain de l'Énergie. Comme l'explique un communiqué du Fermilab, le DES a cartographié une zone représentant près d'un huitième du ciel entier à l'aide de la Dark Energy Camera, un appareil photo numériquenumérique de 570 mégapixels monté sur le télescopetélescope Víctor M. Blanco de l'observatoire interaméricain Cerro Tololo. Les scientifiques du DES ont collecté des données pendant 758 nuits sur six ans jusqu'en 2019, après quoi il a fallu les utiliser.

Un Univers qui finira par un Big Crunch, un Big Rip ?

Le bilan des analyses a été publié dans The Astrophysical Journal - une version en accès libre de l'article existe sur arXiv - et il est commenté en ces termes par Tamara Davis, professeur à l'université du Queensland en Australie et co-organisatrice du DES dans le communiqué du Fermilab : « Je tremblais. C'était vraiment un moment excitant... w ne vaut pas exactement -1, mais en est suffisamment proche pour être cohérent avec -1. Un modèle plus complexe pourrait être nécessaire. L'énergie sombre pourrait en effet varier avec le temps. »

Ce résultat, c'est aux erreurs possibles w = -0,80 +/- 0,18.

Pour mémoire, si w vaut exactement -1, alors l'accélération est causée par la fameuse constante cosmologique d'Einstein qui ne varie pas dans l'espace et dans le temps et que l'on peut considérer soit comme une nouvelle constante de la théorie de la gravitationgravitation, soit comme une manifestation des fluctuations du vide quantique de tous les champs (de matière, électromagnétique, etc.).

Si -1 < w < -1/3, alors l'énergie noire peut être un champ scalaire dit de quintessence, cousin de celui du BosonBoson de Brout-Englert-Higgs et variable dans le temps.

Si, en gros, -2< w < -1, alors l'énergie noire est produite par un autre type de champ scalaire et on est dans le scénario du « grand déchirement » (Big RipBig Rip, en anglais). Dans ce scénario, toutes les structures, des amas de galaxiesamas de galaxies jusqu'aux noyaux des atomesatomes, seront déchiquetées par une expansion de l'espace de plus en plus forte causée par une forme physiquephysique exotiqueexotique, celle de l'énergie fantôme dont la densité augmente avec l'expansion.

Un destin de l'Univers déterminable en étudiant supernovae et rayonnement fossile ?

Les résultats du DES seuls sont favorables à un scénario de quintessence, ouvrant la voie à un possible Big Crunch mais n'invalidant pas pour autant un scénario d'expansion éternelle. Toutefois, en combinant les données du DES avec les données du rayonnement fossile fournies par le satellite Planck, w pourrait fort bien valoir -1 en fonction des barres d'erreurs comme on dit, de sorte qu'il est trop tôt encore pour avoir une conclusion ferme sur la valeur de w, qui ne semble tout de même pas en l'état indiquer un futur Big Rip.

Quelques précisions pour terminer.

Le DES utilisait la même méthode que pour la découverte initiale de l'expansion du cosmos observable, l'étude des supernovaesupernovae de type SNSN Ia.

On pense qu'il s'agit de naines blanchesnaines blanches accrétant à l'origine de la matière d'une étoile compagne brûlant encore du carburant nucléaire ou encore de collision de deux naines blanches. Dans les deux cas, on a une explosion thermonucléaire à partir d'une massemasse d'environ 1,4 (la limite de Chandrasekharlimite de Chandrasekhar) / 3 masses solaires, de sorte que la puissance de l'explosion de la supernova est relativement constante et donc toujours d'environ la puissance lumineuse d'une galaxie comme la Voie lactéeVoie lactée. Ce type de « chandelle standardchandelle standard » permet donc de déterminer des distances, étant d'autant moins lumineuses qu'elles sont loin. On peut aussi mesurer leur décalage spectral vers le rouge produit par l'expansion de l'espace.

La courbe reliant luminositéluminosité apparente, distance et décalage spectral est sensible à l'équation d'état de l'énergie noire et donc à w et c'est donc en mesurant les caractéristiques de 1 499 supernovae SN Ia avec des données de haute qualité - ce qui en fait l'échantillon de supernovae le plus grand et le plus profond jamais collecté par un seul télescope - que les membres du DES sont arrivés aux résultats aujourd'hui publiés. Pour mémoire encore, en 1998, les astronomes lauréats du prix Nobel de physique 2011 avaient utilisé seulement 52 supernovae.