Un ciel bien noir ! - 29/04/2007

1 - Une matière très attractive

Le modèle cosmologique qui donne une formulation théorique au phénomène d'expansion est le modèle du Big Bang. Dans le modèle de Big Bang standard, le « Contenu Energie-Matière » est constitué de matière ou de rayonnement. Les prédictions théoriques de ce « modèle standard » et l'observation du Cosmos (les galaxies, les amas, les superamas) conduisent à l'idée que l'Univers actuel est définitivement entré dans « l'ère de la matière » et que son expansion est régie par celle-ci, qu'elle soit « ordinaire » ou « noire ».

À ce contenu de matière, correspond dans le schéma de la relativité générale un terme toujours équivalent à une gravitation attractive. On prédit alors, quelle que soit la cause initiale de l'expansion, que celle-ci doit se ralentir au cours du temps si la matière domine le contenu énergétique (1) du Cosmos.

2- Des chandelles standard dans le ciel.

Or, dans les années 1995, deux groupes de scientifiques annoncèrent que, d'après leurs mesures, l'expansion de l'Univers, au lieu de se ralentir comme on l'attendrait, est en accélération. D'où provenait d'abord cette certitude ? Elle a été obtenue par l'analyse de la variation, en fonction de la distance, de l'éclat d'étoiles considérées comme des chandelles standard, c'est-à-dire d'étoiles ayant toute la même luminosité absolue.

Légende : Supernova dans la galaxie NGC 4526 (© NASA).

Les supernovae sont des étoiles qui, en fin de vie, explosent en libérant une énergie considérable (équivalente à l'énergie émise par une galaxie peuplée de milliards d'étoiles ordinaires). Cela les rend visibles même à des distances élevées et permet donc de scruter le Cosmos lointain. L'énergie totale libérée sous forme de rayonnement lors de cette explosion (2) apparaît quasiment constante d'un astre à l'autre, les qualifiant alors comme « chandelles standard » astronomiques (Figure).

Légende : Images obtenues au télescope CFH dans le cadre du sondage de supernovae SNLS . Une galaxie observée à deux époques différentes. L'image inférieure droite montre la supernova ayant explosé entre temps dans la galaxie. La grande luminosité intrinsèque de ces astres (environ 100 milliards de fois le Soleil) associée à sa quasi-constance en font des « chandelles standard » permettant de sonder l'Univers lointain. La distance de la galaxie hôte de la supernova est mesurée à l'aide des instruments du VLT à l'ESO.

On peut alors suivre la variation avec la distance de leur éclat apparent, celui-ci diminuant comme diminue la lumière des phares d'une voiture qui s'éloigne. Les modèles cosmologiques prédisent des lois de variation de cet éclat, lois différentes selon que l'Univers est en expansion ou non et selon que celle-ci se ralentit ou s'accélère (cf. Figure et http://www.cfht.hawaii.edu/SNLS).

Légende : Dans un Univers courbe en expansion, l'éclat des astres en fonction de leur distance à l'observateur varie différemment selon que cette expansion s'accélère ou décélère. L'observation de l'éclat de chandelles standard, comme les Supernovae, en fonction de leur distance (ou de leur décalage spectral) permet de distinguer entre les divers comportements. La figure supérieure montre l'évolution de l'éclat (axe vertical) en fonction du décalage spectral (axe horizontal) pour une expansion en décélération constante (trait pointillé) et pour une phase d'accélération (trait continu).

Les observations actuelles (ici les mesures du SNLS avec leurs barres d'erreur) privilégient le cas d'une accélération récente (due à une énergie noire répulsive) succédant à une phase de décélération (due à l'action de la matière attractive). La figure du bas montre les mêmes résultats dans une autre représentation mais avec les mêmes conventions (trait pointillé: décélération, trait continu: accélération).

La confrontation des observations et des prédictions trancha, à la grande surprise des cosmologistes, en faveur de l'accélération !

(1) La situation physique est en fait similaire à celle d'un projectile qu'on lance et qui finit par retomber sous l'action de la pesanteur.
(2) Si les détails du phénomène restent encore à élucider, des raisons liées à la physique fondamentale permettent de comprendre son aspect universel.