La nature de l'énergie noire reste mystérieuse, surtout en relation avec une théorie quantique de la gravitation. Pour trouver une explication compatible avec la théorie des supercordes, des théoriciens ont été conduits à penser que notre univers serait comme l'équivalent d'une bulle de savon, mais gonflant dans un espace-temps macroscopique à cinq dimensions.

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    La nature de l'énergie noire est l'une des plus grandes énigmes de la physique et de la cosmologie moderne. On confond souvent son existence postulée avec celle de l'accélération de l'expansion du cosmoscosmos observable que l'on peut mettre en évidence de plusieurs façons, la principale et la première étant en se basant sur la détection de populations de supernovaesupernovae SNSN Ia. Cela conduit alors à introduire une constante cosmologique dans les équations d'EinsteinEinstein mais cette constante ne trahit pas forcément l'existence d'une nouvelle physique. Elle pourrait résulter d'une mauvaise prise en compte du caractère inhomogène de la distribution de matière dans la portion d'universunivers que nous pouvons observer.

    Dans tous les cas, nous sommes confrontés à un problème si nous prenons au sérieux la théorie de la gravitationgravitation d'Einstein. En effet, si nous cherchons à calculer l'énergie minimale qui se trouve dans les champs de force et de matièrematière connus et bien décrits par les équations de la théorie standard en physique des particules, la théorie quantique conduit - dans l'état où nous la comprenons actuellement - à prédire une énorme densité d'énergie dans ce qui constitue le fameux vide quantique. Ce n'est pas un problème tant que nous ne tenons pas compte de la gravitation. Mais si nous le faisons, les calculs que l'on sait faire et que l'on est conduit à faire impliquent alors que l'univers devrait être dominé par des effets énormes qui, soit le conduirait à être très fortement courbé sur lui-même, soit dans un état d'expansion accéléré vertigineux qui n'est pas sans rappeler celui postulé par la théorie de l'inflation.

    Des champs scalaires en cosmologie

    Nous savons que ce n'est évidemment par le cas, ce qui veut dire qu'il nous faudrait nécessairement une théorie quantique de la gravitation pour mener à bien, de façon rigoureuse, les calculs conduisant à la très faible valeur de l'énergie du vide. Énergie du vide qui doit se manifester comme une constante cosmologique. Toutefois, plusieurs des théories quantiques de la gravitation proposées sont aussi des théories de l'unification des forces et de la matière. Elles introduisent de nouveaux champs quantiques qui se comportent comme des champs dits scalaires, qui ne sont pas sans rappeler celui derrière l'existence du fameux bosonboson de Brout-Englert-Higgs.


    Une présentation de la théorie de l'inflation. Pour obtenir une traduction en français assez fidèle, cliquez sur le rectangle blanc en bas à droite. Les sous-titres en anglais devraient alors apparaître. Cliquez ensuite sur l'écrou à droite du rectangle, puis sur « Sous-titres » et enfin sur « Traduire automatiquement ». Choisissez « Français ». © Fermilab

    Il se trouve qu'un ou plusieurs champs scalaires pourraient contribuer à déterminer l'énergie du vide quantique et surtout, impliqueraient dans certains cas que cette énergie varie dans le temps. La constante cosmologique ne serait en fait pas vraiment constante et elle pourrait évoluer dans le temps et dans l'espace. C'est d'ailleurs ce que nous pensons qu'elle a fait au tout début du Big BangBig Bang en raison de la théorie de l'inflation, laquelle postule généralement l'existence d'un champ scalaire, appelé l'inflatoninflaton, produisant une constante cosmologique variable. Dans le cas présent, c'est-à-dire pour décrire l'Univers observable actuel, il est possible d'introduire un champ scalaire variable dans le temps que l'on appelle un champ de quintessence, un clin d'œilœil évident au cinquième élément de la philosophie d'AristoteAristote.

    Mais revenons à la problématique d'une théorie quantique de la gravitation pour rendre compte de l'énergie du vide et de la constante (ou pas) cosmologique. L'une des approches les plus prometteuses repose sur la fameuse théorie des supercordesthéorie des supercordes. Malheureusement, ces équations admettent un nombre gigantesque de solutions dont nous avons bien du mal à déterminer celle qui pourrait correspondre au cosmos observable. À tel point que comme pour le cas des distances et des massesmasses des planètes du Système solaireSystème solaire, on sera peut-être conduit à admettre que les caractéristiques de notre Univers sont purement d'origine historique, plus ou moins déterminées par le hasard, et qu'il existe donc un multivers où toutes les solutions possibles de la théorie des supercordes sont réalisées.

    Une constante cosmologique positive contredisant la théorie des cordes ?

    Le problème de l'énergie noire prend alors une autre dimension. Les cordes font intervenir une théorie mathématique et physique appelée supersymétriesupersymétrie. Or, cette théorie tend plutôt à donner à la constante cosmologique une valeur négative, alors que l'on constate qu'elle est positive. Le modèle cosmologique relativiste qui devrait décrire le cosmos observable est une solution des équations d'Einstein que l'on appelle anti de Sitter, alors que celle qui est adaptée au modèle cosmologique standardmodèle cosmologique standard est de type de Sitter (du nom de l'astronomeastronome hollandais qui l'a découvert). Récemment, les arguments qui avaient été avancés pour sélectionner une énergie du vide positive ont été l'objet de critiques et nous ne savons plus très bien si nous pouvons leur faire confiance, un débat est en cours à ce sujet.

    Ainsi, le physicienphysicien théoricien Cumrun Vafa, célèbre pour ses travaux sur l'entropie des trous noirs, a avancé tout dernièrement avec des collègues que, soit la théorie des cordesthéorie des cordes ne pouvait pas contenir une solution de type de Sitter, soit la constante cosmologique devait être décrite par un champ de quintessence (le satellite EuclidEuclid ou le LSST pourraient détecter des variations de ce champ dans le temps). Dans ce dernier cas, non seulement cela pose des contraintes fortes sur la physique de l'inflation, au début de l'histoire de notre Univers, mais cela pourrait impliquer aussi que le cosmos observable pourrait finir en Big CrunchBig Crunch, comme il l'a peut-être déjà fait avant de rebondir dans une nouvelle phase d'expansion, un Big Bounce, de toute éternité. Dans le premier cas, la théorie des cordes serait en fait réfutée par les observations.


    Une petite interview de Cumrun Vafa. Pour obtenir une traduction en français assez fidèle, cliquez sur le rectangle blanc en bas à droite. Les sous-titres en anglais devraient alors apparaître. Cliquez ensuite sur l'écrou à droite du rectangle, puis sur « Sous-titres » et enfin sur « Traduire automatiquement ». Choisissez « Français ». © Breakthrough

    Il existe une troisième possibilité qui vient d'être évoquée par un groupe de physiciens de l'université d'Uppsala en Suède et qui est exposée dans un article en accès libre sur arXiv. Elle reprend des idées déjà explorées dans le cadre de la théorie des cordes entre la toute fin des années 1990 et le tout début des années 2000, notamment par LisaLisa Randall et Raman Sundrum mais aussi par Stephen Hawking et Thomas Hertog, à savoir l'existence de dimensions spatiales supplémentaires microscopiques et une autre macroscopique, et des structures en forme de membranes.

    Le scénario avancé est alors le suivant. Le cosmos serait né sous la forme d'un univers anti de Sitter avec cinq dimensions devenu macroscopique et dans un état de vide particulier que l'on peut considérer comme l'analogue de l'eau à l'état de vapeur. Il se produit alors une sorte de transition de phasetransition de phase faisant naître une bulle de vide dans un autre état, un peu comme le ferait l'apparition de bulles de liquidesliquides en pleine croissance du fait de la condensationcondensation de la vapeur d'eau. C'est un processus déjà étudié dans le cadre de la théorie de l'inflation où l'on part d'un état dit de faux vide quantique qui transite vers un état de vrai vide, comme le disent les physiciens théoriciens.

    En l'occurrence, notre univers à quatre dimensions serait donc ce que l'on appelle une membrane dans le cas de la théorie des cordes et donc, ici, l'équivalent de la surface d'une bulle d'eau en expansion qui serait une bulle de savon. La géométrie de cette membrane à quatre dimensions serait alors celle d'un univers de type de Sitter en expansion avec une constante cosmologique effective positive pour les observateurs dans cet univers, alors qu'il est plongé dans un univers de type anti de Sitter avec une constante cosmologique négative.

    C'est une théorie intéressante mais il faut bien dire qu'elle s'ajoute simplement à la pile des centaines, voire des milliers d'articles, publiés depuis des années sur le sujet de la cosmologie en théorie des cordes et qui n'ont pas de raisons particulières d'être pris comme la vraie solution cosmologique décrivant notre monde. L'avenir nous en dira peut-être plus dans un futur encore indéterminé.