L'énergie noire ne semblait influencer vraiment l'évolution de l'Univers observable que depuis quelques milliards d'années, notamment en accélérant son expansion. Mais si on suppose qu'elle évolue elle aussi et qu'elle a influencé nettement pour cette raison l'Univers primitif, il devient possible, selon une équipe de chercheurs, de résoudre simultanément l'énigme de la tension de Hubble et celle de l'existence précoce des grandes galaxies débusquées par le James-Webb. De façon intéressante, cette énergie noire peut émerger de la théorie des cordes.

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    Le modèle du Big BangBig Bang est toujours bien vivant et il est devenu absolument déraisonnable de le mettre en doute, tout comme le modèle héliocentriquehéliocentrique. Toutefois, il se limite à dire qu'il y a environ 13,8 milliards d'années, la matière de l'Univers observable était réduite à un mélange de quarks et de leptons, dans un bain de photons et dilatée par l'espace en expansion. Le modèle est donc muet sur la notion même de commencement et il se pourrait que tout l'Univers n'ait pas été en expansion, mais seulement la partie que nous appelons justement l'Univers observable.

    Toutefois, on sait bien que le modèle cosmologique standardmodèle cosmologique standard suppose l'existence d'une composante de matière noirematière noire et d'une constante cosmologiqueconstante cosmologique dans les équationséquations d'EinsteinEinstein, qui se comporte comme une densité d'énergieénergie exotiqueexotique que l'on appelle énergie noireénergie noire, et dont la nature est aussi inconnue que celle de la matière noire.

    Si la théorie du Big Bang va perdurer, ce ne sera peut-être pas le cas de la matière noire ou de l'énergie noire dans la forme qu'on lui prête aujourd'hui. Il se pourrait également que le cosmoscosmos observable, une fois l'une de ces deux hypothèses réfutées, soit plus âgé de peut-être quelques centaines de millions d'années, voire quelques milliards d'années.


    Depuis environ 13,8 milliards d’années, l’Univers n’a cessé d’évoluer. Contrairement à ce que nous disent nos yeux lorsque l’on contemple le ciel, ce qui le compose est loin d’être statique. Les physiciens disposent des observations à différents âges de l’Univers et réalisent des simulations dans lesquelles ils rejouent sa formation et son évolution. Il semblerait que la matière noire ait joué un grand rôle depuis le début de l’Univers jusqu’à la formation des grandes structures observées aujourd’hui. © CEA Recherche

    Des galaxies énigmatiques et la tension de Hubble

    On sait que, depuis quelque temps, les observations du télescope spatial James-Webbtélescope spatial James-Webb (JWST) tendent à montrer qu'il y avait très tôt dans l'histoire du cosmos un assez grand nombre de galaxiesgalaxies massives et évoluées similaires à la Voie lactéeVoie lactée. Il reste à déterminer si l'on peut expliquer l'existence de ces structures à partir du modèle cosmologique standard, à l'aide de calculs et de simulations numériquessimulations numériques suffisamment précises et performantes et des hypothèses de ce modèle, ou s'il faut en changer. Par exemple, en remplaçant la théorie de la gravitationgravitation d'Einstein ou plus généralement la mécanique céleste de NewtonNewton par une théorie dans le cadre de Mond proposé il y a plusieurs décennies.

    Il y a un autre problème plus ancien qui est celui que tout le monde connaît maintenant sous le nom de tension de Hubble.

    En analysant les observations du rayonnement fossilerayonnement fossile faites par PlanckPlanck, on peut en déduire les valeurs de plusieurs des paramètres du modèle cosmologique standard au moment où l'Univers observable avait environ 380 000 ans. En faisant évoluer le cosmos jusqu'à aujourd'hui, on obtient une valeur actuelle de la constante de Hubble-Lemaître caractérisant son expansion.

    Les astrophysiciensastrophysiciens et cosmologiques ayant analysé les données de Planck l'ont fait avec grand soin en cherchant à éliminer le plus possible des biais de mesure pour avoir des estimations solidessolides.

    Seulement voilà, leurs collègues travaillant sur l’estimation de la même constante de Hubble-Lemaître en utilisant les supernovae étudiées notamment avec les télescopes Hubble et maintenant JWST trouvent une valeur différente, malgré, là aussi, un grand soin dans la détermination de cette valeur.

    Il y a débat pour savoir si le désaccord est réel, et annonce un possible bouleversement de la physiquephysique du modèle cosmologique standard, ou le fruit d'une erreur de mesure bien cachée comme ce fut le cas de l'affaire des neutrinos transluminiques.


    Un extrait de la simulation nommée d'après la déesse étrusque de l', Thesan, car elle est conçue pour simuler plus particulièrement la réionisation cosmique. Il débute avec un carottage dans le passé avec des observations à un décalage spectral mesuré avec z, qui est élevé et qui diminue avec le temps qui passe. On voit aussi bien la réionisation qui progresse dans le contenu en hydrogène neutre que l'effondrement de cet hydrogène en galaxies et filaments d'amas de galaxies provoqué par l'effondrement de la matière noire et dont la simulation tient compte également. Ce genre de simulation peut aider à tester les modèles d'énergie et de matière noire. Pour obtenir une traduction en français assez fidèle, cliquez sur le rectangle blanc en bas à droite. Les sous-titres en italien devraient alors apparaître. Cliquez ensuite sur l'écrou à droite du rectangle, puis sur « Sous-titres » et enfin sur « Traduire automatiquement ». Choisissez « Français ». © Thesan Collaboration

    Une énergie noire issue d'un modèle de matière noire de la théorie des cordes ?

    Depuis quelque temps déjà, plusieurs chercheurs ont proposé de modifier la constante cosmologique d'Einstein pour la rendre variable. On pensait notamment à introduire un nouveau champ scalaire, cousin de celui du bosonboson de Brout-Englert-Higgs, qui donnerait une densité d'énergie noire qui ne serait donc pas toujours constante.

    Un communiqué du MIT a récemment fait savoir qu'une équipe de physiciensphysiciens a justement exploré une telle hypothèse, comme on peut le voir dans un article en accès libre sur arXiv. Magiquement, ils semblent avoir réussi à faire d'une pierre deux coups au sujet de l'énigme des galaxies anciennes et de la tension de Hubble.

    « Nous constatons qu'en fait, l'énergie noire primitive est une solution très élégante et éparse à deux des problèmes les plus urgents de la cosmologiecosmologie », explique dans ce communiqué Rohan Naidu, co-auteur de l'étude et postdoctorant à l'Institut Kavli pour l'astrophysiqueastrophysique et la recherche spatiale du MIT. Les co-auteurs de l'étude sont Xuejian (Jacob) Shen, auteur principal et postdoctorant à Kavli, et Mark Vogelsberger, professeur de physique au MIT, ainsi que Michael Boylan-Kolchin de l'Université du Texas à Austin et Sandro Tacchella de l'Université de Cambridge.

    Ce résultat est à replacer dans le cadre des travaux concernant ce qui est appelé, en anglais « l'Early Dark Energy (EDE) », que l'on peut traduire par « énergie noire primitive ». Dans le cas de la cosmologie standard, l'influence de l'énergie noire est négligeable pendant les premiers millions d'années du cosmos observable. En autorisant une valeur plus élevée de la densité de l'énergie noire dans le passé, mais qui va évoluer ensuite pour donner la valeur de celle que nous constatons depuis quelques milliards d'années dans le cosmos observable, on fait naître plus de grandes galaxies tôt, et le modèle nécessaire pour cela résout en bonus automatiquement le problème de la tension de Hubble.

    Remarquablement, le modèle d'énergie noire utilisé émerge souvent de la théorie des cordes lorsque l'on considère certaines de ses prédictions concernant les axions, des particules de matière noire associées à un champ scalaire. En fait, une modélisation similaire avait été proposée il y a quelques années.

    Reste à savoir si les années à venir vont confirmer ou non ce travail...