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- À lire, notre dossier sur la mystérieuse énergie noire
EinsteinEinstein en deviendrait presque exaspérant d'avoir toujours raison. Sa théorie de la relativité générale continue à être la meilleure théorie métrique de la gravitation dont nous disposons actuellement. La constante cosmologique qu'il avait introduite avant de se rétracter semble bel et bien aussi être la meilleure description de la nature de l'énergie noire accélérant l'expansion de l'univers depuis plusieurs milliards d'années. Ce qui veut dire qu'il n'y a toujours aucun signe clair d'une nouvelle physiquephysique au-delà du modèle standardmodèle standard.
Certes, la constante cosmologique en elle-même est le signe qu'il nous reste des choses à comprendre avec la gravitation et qu'il nous manque une pièce cruciale du puzzle des lois de l'univers observable. Récemment, Hubble a éliminé une théorie qui tentait de rendre compte de la constante cosmologique à partir des seules équationséquations d'Einstein. D'autres observations ont montré que plusieurs des extensions possibles des équations d'Einstein, celles dans le cadre des théories f(R), n'étaient pas favorisées. Par contre le modèle dit Lambda CDM déduit des équations de la relativité générale avec de la matière noirematière noire et de l'énergie noire était bien celui qui correspondait le mieux aux mesures.
Un test avec la distribution des galaxies
Toutefois, ces tests ne font pas intervenir pour le moment tout le volumevolume observable de l'univers. Diverses campagnes d'observations, en cours ou programmées, se proposent de sonder l'univers encore plus loin dans l'espace et dans le passé, afin de détecter de subtiles variations de la valeur de l'énergie noire dans le temps et l'espace. Certains, comme le prix Nobel de physique Martin Perl, espèrent même que l'on pourrait détecter ces variations sur Terre en laboratoire.
Les oscillations acoustiques baryoniques (BAO pour baryon acoustic oscillations en anglais) dans l'univers primitif sont des ondes sonores qui se propageaient alors dans l'univers primitif, comme des vaguelettes dans un étang. Elles ont laissé des empreintes dans les fluctuations de températures du rayonnement traduisant des fluctuations de densité. Ces fluctuations ont évolué pour former aujourd’hui les murs et les vides observés dans la répartition des galaxies. L’image d’artiste ci-dessus illustre les traces des BAO dans le rayonnement fossile et la répartition des galaxies en amas. © Chris Blake et Sam Moorfield
Il y a quelques mois, la campagne d'observations du WiggleZ Dark Energy Survey conduite avec le Galaxy Evolution Explorer (Galex) et l'Anglo-Australian Telescope (AAO) s'est achevée. Elle a permis aux astrophysiciensastrophysiciens de repousser à des valeurs du décalage spectral vers le rouge plus élevées un test concernant la nature de l'énergie noire. Ce test est intéressant non seulement parce qu'il permet de préciser les caractéristiques de ce qu'on appelle l'équation d'état de l'énergie noire mais aussi parce qu'il confirme sa présence autrement qu'au moyen des supernovaesupernovae SNSN Ia.
De nouveau, il confirme aussi que dans un passé reculé de l'Histoire de l'univers, et bien sûr à la précision des mesures obtenues, la valeur de l'énergie noire reste bien constante, en plein accord avec l'opinion dont Jean-Pierre Luminet nous avait fait part à son sujet.
Les oscillations acoustiques des baryons
Pour comprendre comment les chercheurs ont obtenu ce résultat, il faut connaître un peu ce qu'on appelle les oscillations acoustiques des baryonsbaryons (BAO pour baryon acoustic oscillations en anglais). Avant la recombinaisonrecombinaison s'étant produite 380.000 ans après le début de l'univers observable et au moins depuis la période de la nucléosynthèsenucléosynthèse primordiale, quelques minutes après le mythique temps de Plancktemps de Planck, l'univers est un mélange de baryons couplés aux photonsphotons, baignant déjà dans la matière noire.
Les fluctuations de densité de la matière noire génèrent alors des ondes sonoresondes sonores sphériques s'éloignant à presque la moitié de la vitesse de la lumièrevitesse de la lumière des zones de surdensités de la matière noire. Au moment de la recombinaison, lorsque les premiers atomesatomes neutres apparaissent, la lumière se découple de la matière baryonique et le front de ces ondes sonores poussé par le flux de photon se fige temporairement.
La courbe rouge donnant une relation entre le décalage spectral (galaxy redshift) et la distance des galaxies (cosmic distance) selon un modèle cosmologique avec une constante cosmologique et la matière noire s'accorde bien dans le temps avec les observations, dont celles de la campagne WiggleZ. © WiggleZ Dark Energy Survey
Il en résulte que des zones de surdensité de matière normale formant des coquilles (dont le diamètre est fixé par la vitesse des ondes sonores produites par les oscillations acoustiques) se forment dans le cosmoscosmos observable. Ces zones vont être des lieux privilégiés de formation de galaxies et de leur accumulation sous forme d'amas. Plus tard, la présence de plus en plus dominante de l'énergie noire (ce qui n'était pas le cas dans les premiers milliards d'années) va influer sur le taux de croissance des amas de galaxiesamas de galaxies.
Surtout, si l'on considère un grand échantillon de galaxies et que l'on en mesure les distances entre deux paires, il apparaîtra un excès de ces paires pour une valeur de distance liée à celle des coquilles de matières dont on a précédemment parlé. On dispose alors d'une sorte de mètre étalon dont la longueur intrinsèque est connue. En mesurant la valeur apparente de cette longueur on peut en déduire une distance absolue et si l'on mesure différents décalages spectraux, on peut dresser une courbe reliant distance cosmologique et décalage spectral.
La courbe rouge donnant une relation entre le décalage spectral (galaxy redshift) et le taux de croissance (growth rate) des amas de galaxies selon un modèle cosmologique avec une constante cosmologique et la matière noire s'accorde bien dans le temps avec les observations dont celles de la campagne WiggleZ. © WiggleZ Dark Energy Survey
Or, en fonction du modèle cosmologique que l'on considère, avec ou sans énergie noire, cette dernière étant ou non une constante cosmologique, on n'obtient pas la même courbe. De même, le taux de croissance des amas de galaxies n'est pas le même.
Ces courbes sont les analogues de celles obtenues avec les supernovae SN Ia. Elles ont donc été dressées à l'aide de pas loin de 200.000 galaxies et couvrent presque 7 milliards d'années de l'histoire de l'univers observable. Deux articles sur ArxivArxiv font le bilan des mesures.
