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Science. Energie noire et expansion de l'univers. Nouvelles hypothèses

Un article du Newscientist, n° du 9 décembre The Bang at the End of the Universe https://www.newscientist.com/article/mg23631550-600-dark-energy-is-mutating-with-grave-consequences-for-the-cosmos/  (accès réservé aux abonnés) recense un certain nombre d'hypothèses récentes concernant l'expansion de l'univers censée s'être produite après le Big Bang. Nous en extrayons en les simplifiant fortement les éléments suivants, auxquels nous apportons quelques commentaires.

Rappelons que pour de nombreux cosmologistes, l'univers traverse des phases successives d'expansions et de contractions, faisant disparaitre le concept d'un Big Bang à l'origine de notre univers. Des travaux en ce sens viennent d'être publiés, sur lesquels nous reviendrons dans un autre article.

Pour la majorité des cosmologistes cependant, l'hypothèse d'un univers apparu brutalement à partir de rien, et depuis en expansion, est considérée comme la plus sérieuse. Cette expansion, d'abord très rapide, puis ralentie ensuite, serait due à l'action d'une force encore mystérieuse, qualifiée faute de mieux d'énergie noire. Elle serait suffisante pour balancer l'effet de la gravité. Celle-ci pousserait l'univers à se contracter sous l'influence des masses stellaires visibles, mais aussi celle d'une autre masse, bien supérieures à celles-ci mais invisible, qualifiée de matière noire.

Aujourd'hui de nouvelles mesures concernant la vitesse d'expansion de l'univers, utilisant la lumière des supernovas, montrent que l'hypothèse de l'énergie noire doit être revue. Si celle-ci était conforme aux modèles, l'univers devrait être engagé dans une expansion si rapide que la destruction de la matière organisée survenant inévitablement au terme de cette expansion devrait s'être produite bien plus tôt qu'envisage. En ce cas, nous ne serions plus là depuis longtemps pour en parler, explique Adam Riess de la Johns Hopkins University à Baltimore,

Le modèle standard de la cosmologie, dit Lambda-CDM, CDM pour Cold Dark Matter, était jusqu'à présent considéré comme pertinent pour expliquer l'expansion de l'univers sous l'influence de l'énergie noire. La matière noire et la force gravitationnelle qu'elle génère, permet dans ce modèle d'expliquer pourquoi les galaxies conservent leur cohésion malgré l'expansion de l'univers.

Cependant ce modèle standard pourrait être mis en défaut si l'on découvrait des disparités entre les observations de l'univers aujourd'hui et ce qu'il aurait du devenir en théorie après le Big Bang selon ce modèle standard. De quelles observations s'agit-il? Le satellite européen Planck, souvent présenté sur ce site, permet d'observer le rayonnement de fond cosmologique hyperfréquence,  (CMB ou Cosmic Microwave Background). Il s'agit du rayonnement lumineux ou thermique, émis 380.000 ans après le Big Bang. Le rayonnement était alors intimement lié à la matière. C'est pourquoi le représenter sous forme de carte permet de mieux comprendre la structure de l'univers primordial. 

Les cosmologistes en partant des structures ou patterns du CMB et en extrapolant sur ce que ces structures devraient être en théorie aujourd'hui, c'est-à-dire 13 milliards d'années plus tard, ont calculé la vitesse d'expansion accélérée théorique de l'univers, soit 67.3 km par seconds par megaparsec. Rappelons que le parsec  ( https://fr.wikipedia.org/wiki/Parsec) est une unité de distance astronomique correspondant à la distance à partir de laquelle on verrait la distance terre-soleil, sous un angle d'une seconde d'arc. 

Or les mesures d'expansion faites à partir de la lumière provenant de chandelles cosmologiques dites standard, éloignées, c'est-à-dire anciennes pour nous, a montré que la vitesse d'expansion observée était de 73.2 km par seconde par mégaparsec.  Les chandelles standard ont une luminosité connue. Selon les distances, il s'agit de Céphéïdes ou de Supernovas. Elles sont utilisées pour déterminer la taille de l'Univers (https://fr.wikipedia.org/wiki/Chandelle_standard).

Une énergie noire "fantôme"

Il convient donc d'expliquer ces différences entre le calcul et l'observation. A cette fin, d'autres méthodes d'observation sont en cours de mise au point actuellement, notamment par Catherine Heymans de l'University of Edinburgh. Elles utilisent ce que l'on appelle les lentilles gravitationnelles faibles. Celles-ci sont plus difficiles à observer et analyser que les chandelles cosmologiques standard, ce qui explique le caractère récent des recherches les concernant.. https://fr.wikipedia.org/wiki/Lentille_gravitationnelle_faible. Or elles montrent les mêmes disparités.

Mais faut-il conserver l'hypothèse bien établie jusqu'ici selon lequel l'expansion de l'univers se ferait à une vitesse qui s'accroitrait de manière constante. Autrement dit, faut-il conserver l'hypothèse que la densité de l'énergie noire serait demeurée constante depuis l'apparition de l'univers? Elle aurait pu évoluer au cours du temps, comme les autres forces de la nature. Cependant, si elle avait augmenté selon les ratios proposés en ce sens par des hypothèses comme celle dite de la quintessence https://fr.wikipedia.org/wiki/Quintessence_(cosmologie) elle aurait du être si rapide que nous ne serions pas là pour en disserter, pour reprendre l'expression de Adam Riess.  On parlerait alors d' « énergie noire fantôme ». Si ce n'est pas le cas, il faudrait qu'une autre force s'exerce en sens inverse, c'est-a-dire en sens croissant, pour maintenir la cohésion de l'univers tel que nous le connaissons. Or la force de la gravitation peut-elle évoluer de façon croissante?

Une des hypothèses qui expliquerait le caractère « fantôme » de l'énergie noire serait que ces deux facteurs définissant les caractères de l'évolution de l'univers, matière noire et énergie noire pourraient interagir d'une façon encore inexpliquée aujourd'hui. Ainsi il pourrait exister plusieurs champs d'énergie non encore découverts qui interagiraient (voir https://www.newscientist.com/article/mg23431290-500-the-higgs-bang-the-particle-that-blew-up-the-universe/ ) en produisant une force répulsive qui augmenterait avec le temps. Mais comment étudier scientifiquement ces interactions, si elles existent?

Ces questions, entre de nombreuses autres, font que les physiciens attendent avec impatience les premiers résultats pouvant être apportés par de nouveaux instruments en cours de mise en place.

Il s'agit de l'observatoire satellitaire Euclid du CNES (https://euclid.cnes.fr/fr) et du Grand Télescope d'étude synoptique  ci-dessus (https://fr.wikipedia.org/wiki/Large_Synoptic_Survey_Telescope). Si tout se passait bien, ils pourraient fournir des données vers 2019-2020.

Au début de 2017, par ailleurs, les deux observatoires interférométriques LIGO et VIRGO ont détecté dans l'espace-temps, comme nous l'avions indiqué à l'époque, de supposées ondes gravitationnelles pouvant provenir de la collision de deux étoiles à neutrons. (Voir Le journal du CNRS https://lejournal.cnrs.fr/articles/etoiles-a-neutrons-une-fusion-qui-vaut-de-lor). Ces résultats devraient permettre de mieux évaluer la vitesse d'expansion de l'univers.

Note

Nous avions présenté en juin 2016 les hypothèses de Thomas Buchert et de ses collègues qui contestent la pertinence des concepts de matière noire et d'énergie noire. Il est curieux que ces hypothèses ne soient pas évoquées dans cet article. http://www.admiroutes.asso.fr/larevue/2016/170/buchert.htm

Thomas Buchert a été distingué en 2017, par un financement ERC Advanced Grant du Conseil Européen de la Recherche pour son projet nommé « arthUs ». Le prix Advanced Grant soutien et récompense les projets des chercheurs qui ont obtenu des résultats significatifs durant les 10 années précédentes
https://www.univ-lyon1.fr/medias/fichier/cpercadvancedgrand_1493122206870-pdf

15/12/2017
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