En 1998, des scientifiques découvraient, par deux études effectuées en parallèle, que les supernovas de type SN Ia s’éloignaient les unes des autres de plus en plus vite. Ces supernovas, issues de systèmes binaires contenant une naine blanche, sont considérées comme des points de repère en cosmologie, aussi appelées chandelles standard, car leur luminosité reste constante avec le temps. Or, lorsque les chercheurs ont évalué la distance qui les séparait en fonction du temps, ils ont observé que celle-ci augmentait de plus en plus vite en fonction du temps ! On savait déjà à ce moment-là que l’Univers était en expansion, mais le modèle du Big Bang supposait une décélération de cette expansion : les observations démontrèrent l’inverse.
La seule explication trouvée pour expliquer ce phénomène impliquait la présence d’une pression négative causée par une substance inconnue. Nommée « énergie noire », les calculs ont depuis montré qu’elle remplit plus de 70 % du contenu énergétique de notre Univers, sans qu’on soit pour autant capables de l’identifier. Indétectable malgré de nombreuses tentatives, plusieurs théories ont essayé malgré tout de la modéliser. Le modèle le plus utilisé actuellement est le modèle cosmologique standard, qui suppose une accélération constante et qui dépend de la constante cosmologique Λ, qui représente l’énergie du vide. Dans ce cas, l’accélération est constante, donc l’expansion continuera indéfiniment. Mais il existe Plus exactement, l’énergie noire serait comme une substance déterminée par un champ scalaire, appelée quintessence. À chaque point de l’espace est associée une valeur de cette quintessence V(Φ), qui dépend de la densité d’énergie et de matière qui l’entoure. Elle varie alors dans le temps, et s’oppose ainsi à la théorie qui associe l’énergie noire à la constante cosmologique. Sa longueur d’onde serait de l’ordre de la taille de l’Univers, lui attribuant alors une énergie cinétique presque nulle. Comme la pression associée à la quintessence dépend du rapport entre énergie cinétique et énergie potentielle, celle-ci est négative, donc cohérente avec une énergie répulsive.
D’après ce modèle, la quintessence peut interagir avec la matière ordinaire lorsqu’elle est en grande quantité, tel un système stellaire, ou plus gros encore, une galaxie. Ainsi, au tout début de l’Univers, alors qu’il était encore compact, la quintessence et la matière auraient interagi fortement, créant comme un boum d’accélération. Puis à mesure que les astres s’éloignent, la densité de matière diminue pour devenir presque une constante, donc l’interaction avec la quintessence aussi.
Plus exactement, l’énergie noire serait comme une substance déterminée par un champ scalaire, appelée quintessence. À chaque point de l’espace est associée une valeur de cette quintessence V(Φ), qui dépend de la densité d’énergie et de matière qui l’entoure. Elle varie alors dans le temps, et s’oppose ainsi à la théorie qui associe l’énergie noire à la constante cosmologique. Sa longueur d’onde serait de l’ordre de la taille de l’Univers, lui attribuant alors une énergie cinétique presque nulle. Comme la pression associée à la quintessence dépend du rapport entre énergie cinétique et énergie potentielle, celle-ci est négative, donc cohérente avec une énergie répulsive.
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Dans une étude publiée dans la revue Proceedings of the National Academy of Sciences, (voir références ci-dessous) un groupe de cosmologues a approfondi l’idée de quintessence. Et leur modèle prédit plusieurs changements pour l’expansion de l’Univers : d’abord, son accélération décélérera puis stoppera prochainement, puis au lieu de s’étendre l’Univers va se contracter petit à petit. Leurs calculs supposent une augmentation progressive de l’énergie cinétique et en parallèle une diminution de l’énergie potentielle : d’où l’évolution vers une pression positive, qui tend à contracter l’Univers au lieu de l’étirer : « à mesure que la densité d’énergie potentielle positive diminue et que la densité d’énergie cinétique vient à la dépasser, la phase actuelle d’expansion accélérée se terminera et passera en douceur à une période d’expansion décélérée. Ensuite, à mesure que le champ scalaire continue d’évoluer vers le bas du potentiel, la densité d’énergie potentielle deviendra suffisamment négative pour que la densité d’énergie totale et, par conséquent, le paramètre de Hubble H(t), atteigne zéro. Par conséquent, l’expansion (H > 0) s’arrêtera complètement et passera progressivement à la contraction (H < 0). », expliquent les chercheurs dans l’étude.
Leurs calculs se basent à la fois sur les données observationnelles, et sur une combinaison entre des équations d’état cosmologiques et les équations de Friedmann : ils décrivent ainsi mathématiquement l’évolution du potentiel de champ scalaire, et montrent qu’il diminue petit à petit. Plus étonnamment encore, les intervalles de temps entre l’expansion accélérée et décélérée, puis vers la contraction sont très petits reportés sur une échelle cosmologique ! Comparable à des échelles géologies, selon les chercheurs, l’accélération s’arrêterait dans moins de 65 millions d’années, soit autant de temps qu’il y a eu entre la fin des dinosaures et nous !
Quant à la contraction, d’après leur modèle qui suppose une évolution cyclique, elle se produirait lentement, en des milliards d’années. L’Univers se rendrait soit à un stade similaire à celui du Big Bang, soit au Big Crunch : ce sera alors la fin de l’espace-temps tel que nous le connaissons. Ensuite, une nouvelle phase d’expansion, et ainsi de suite. Les chercheurs concluent sur les grandes incertitudes qui accompagnent leur modèle : peu de données disponibles, donc beaucoup de variations dans les résultats. Mais un élément commun demeure, peu importe la théorie utilisée : « nos trois développements théoriques différents pointent vers le même résultat : la fin de l’expansion pourrait survenir étonnamment bientôt », conclut leur étude.__
Référence
Rapidly descending dark energy and the end of cosmic expansion
April 5, 2022 https://doi.org/10.1073/pnas.2200539119
Significance
Although the universe is expanding at an accelerating rate today, this paper presents a simple mechanism by which a dynamical form of dark energy (known as quintessence) could cause the acceleration to come to end and smoothly transition from expansion to a phase of slow contraction. That raises questions, How soon could this transition occur? And at what point would it be detectable? The conclusions are that the transition could be surprisingly soon, maybe less than 100 million y from now, and yet, for reasons described in the main text, it is not yet detectable today. The scenario is not far-fetched. In fact, it fits naturally with recent theories of cyclic cosmology and conjectures about quantum gravity.
Abstract
If dark energy is a form of quintessence driven by a scalar field ϕϕ evolving down a monotonically decreasing potential V(ϕ)V(ϕ) that passes sufficiently below zero, the universe is destined to undergo a series of smooth transitions. The currently observed accelerated expansion will cease; soon thereafter, expansion will come to end altogether; and the universe will pass into a phase of slow contraction. In this paper, we consider how short the remaining period of expansion can be given current observational constraints on dark energy. We also discuss how this scenario fits naturally with cyclic cosmologies and recent conjectures about quantum gravity.
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