L’énergie noire variable pourrait bouleverser notre compréhension de l’histoire cosmologique

Le célèbre physicien russe et lauréat du prix Nobel, Lev Landau, avait coutume de dire que « les cosmologistes se trompent souvent, mais ne doutent jamais ». Lorsqu’il s’agit d’étudier l’histoire de l’univers, il est toujours possible que nous nous trompions sur toute la ligne, mais cela ne nous empêche jamais de poursuivre nos recherches.

Il y a quelques jours, un nouveau communiqué de presse a révélé les découvertes révolutionnaires de l’instrument de spectroscopie de l’énergie noire (DESI), installé sur le télescope Mayall en Arizona. Cette vaste enquête, qui recense les positions de 15 millions de galaxies, représente la plus grande cartographie tridimensionnelle de l’univers réalisée à ce jour. Pour donner une idée, la lumière des galaxies les plus éloignées répertoriées dans le catalogue DESI a été émise il y a 11 milliards d’années, lorsque l’univers n’avait qu’environ un cinquième de son âge actuel.

Les chercheurs du DESI ont étudié une caractéristique dans la distribution des galaxies que les astronomes appellent les « oscillations acoustiques baryoniques ». En la comparant aux observations de l’univers très ancien et aux supernovae, ils ont pu suggérer que l’énergie noire – cette force mystérieuse qui propulse l’expansion de notre univers – n’est pas constante à travers l’histoire de l’univers.

Une vision optimiste de la situation est que tôt ou tard, la nature de la matière noire et de l’énergie noire sera découverte. Les premiers aperçus des résultats de DESI offrent au moins un petit espoir de parvenir à cette découverte.

Cependant, cela pourrait ne pas se produire. Nous pourrions chercher et ne faire aucun progrès dans la compréhension de la situation. Si cela se produit, nous devrions non seulement repenser notre recherche, mais aussi l’étude de la cosmologie elle-même. Nous aurions besoin de trouver un modèle cosmologique entièrement nouveau, qui fonctionne aussi bien que notre modèle actuel mais qui explique également cette divergence. Inutile de dire que ce serait un défi de taille.

Pour beaucoup de ceux qui s’intéressent à la science, c’est une perspective excitante et potentiellement révolutionnaire. Cependant, ce genre de réinvention de la cosmologie, et en effet de toute la science, n’est pas nouveau, comme le soutient le livre de 2023, The Reinvention of Science.

La quête de deux nombres

En 1970, Allan Sandage rédigea un article très cité qui mettait en avant deux nombres nous rapprochant des réponses sur la nature de l’expansion cosmique. Son objectif était de les mesurer et de découvrir comment ils évoluaient avec le temps cosmique. Ces nombres sont la constante de Hubble, H₀, et le paramètre de décélération, q₀.

Le premier de ces deux nombres indique la vitesse à laquelle l’univers s’expand. Le second est la signature de la gravité : en tant que force d’attraction, la gravité devrait s’opposer à l’expansion cosmique. Certaines données ont montré un écart par rapport à la loi de Hubble-Lemaître, dont le second nombre de Sandage, q₀, est une mesure.

Aucun écart significatif par rapport à la ligne droite de Hubble n’a été trouvé jusqu’aux percées réalisées en 1997 par le Supernova Cosmology Project de Saul Perlmutter et l’équipe High-Z SN Search dirigée par Adam Riess et Brian Schmidt. Le but de ces projets était de rechercher et de suivre des supernovae explosant dans des galaxies très éloignées.

Ces projets ont découvert un écart clair par rapport à la simple ligne droite de la loi de Hubble-Lemaître, mais avec une différence importante : l’expansion de l’univers s’accélère, au lieu de décélérer. Perlmutter, Riess et Schmidt ont attribué cet écart à la constante cosmologique d’Einstein, qui est représentée par la lettre grecque Lambda, Λ, et qui est liée au paramètre de décélération.

Leur travail leur a valu le prix Nobel de physique en 2011.

L’énergie noire : 70 % de l’univers

Étonnamment, cette matière Lambda, également connue sous le nom d’énergie noire, est le composant dominant de l’univers. Elle accélère l’expansion de l’univers au point où la force de la gravité est surpassée, et elle représente presque 70 % de la densité totale de l’univers.

Nous savons peu ou rien sur la constante cosmologique, Λ. En fait, nous ne savons même pas si c’est une constante. Einstein a d’abord parlé d’un champ énergétique constant lorsqu’il a créé son premier modèle cosmologique dérivé de la relativité générale en 1917, mais sa solution était ni en expansion ni en contraction. Elle était statique et inchangée, et donc le champ devait être constant.

Construire des modèles plus sophistiqués contenant ce champ constant a été une tâche plus aisée : ils ont été dérivés par le physicien belge Georges Lemaître, un ami d’Einstein. Les modèles de cosmologie standard d’aujourd’hui, basés sur le travail de Lemaître, sont appelés modèles Λ de matière noire froide (ΛCDM).

Les mesures de DESI sont totalement cohérentes avec ce modèle. Cependant, en les combinant avec des observations du fond diffus cosmique et des supernovae, le modèle le mieux ajusté est celui impliquant une énergie noire qui a évolué au fil du temps cosmique, et qui ne sera (potentiellement) plus dominante à l’avenir. En bref, cela signifierait que la constante cosmologique n’explique pas l’énergie noire.

Le Grand Effondrement

En 1988, le lauréat du prix Nobel de physique 2019, P. J. E. Peebles, a rédigé un article avec Bharat Ratra sur la possibilité qu’il existe une constante cosmologique qui varie avec le temps. À l’époque où ils ont publié cet article, il n’y avait pas d’opinion sérieuse sur Λ.

Cette suggestion est attractive. Dans ce cas, la phase actuelle d’expansion accélérée serait transitoire et prendrait fin à un moment donné dans le futur. D’autres phases de l’histoire cosmique ont eu un début et une fin : l’inflation, l’ère dominée par le rayonnement, l’ère dominée par la matière, etc.

La dominance actuelle de l’énergie noire pourrait donc décliner au fil du temps cosmique, ce qui signifierait qu’elle ne serait pas une constante cosmologique. Le nouveau paradigme impliquerait que l’expansion actuelle de l’univers pourrait éventuellement s’inverser en un « Grand Effondrement ».

D’autres cosmologistes sont plus prudents, à l’instar de Carl Sagan, qui disait sagement que « les affirmations extraordinaires nécessitent des preuves extraordinaires ». Il est crucial d’avoir plusieurs lignes de preuves indépendantes qui convergent vers la même conclusion. Nous n’en sommes pas encore là.

Les réponses pourraient venir de l’un des projets en cours aujourd’hui – pas seulement DESI, mais aussi Euclide et J-PAS – qui visent à explorer la nature de l’énergie noire à travers la cartographie à grande échelle des galaxies.

Alors que le fonctionnement même du cosmos fait l’objet de débats, une chose est sûre : une période fascinante pour la cosmologie est à l’horizon.