Vu de la Terre, HE0435-1223, ici observé par Hubble, est un quasar dont les rayons lumineux ont été déviés par l'effet de lentille gravitationnelle créé par la galaxie qui s'interpose, au premier plan. © ESA, Hubble, Nasa, Suyu et al.

Sciences

Énergie noire : l’univers accélère plus vite que prévu et défie les cosmologistes

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Par Laurent Sacco, Futura

Dans le cadre du modèle cosmologique standard, l'énergie noire est une vraie constante cosmologique qui ne varie pas dans le temps. Mais une nouvelle estimation de la vitesse d'expansion de l'univers observable remet cette hypothèse en question. Plus généralement, elle suggère qu'il faudrait modifier le modèle cosmologique à l'aide d'une nouvelle physique.

Il y a presque un an, Futura-Sciences avait demandé l'avis du cosmologiste français Alain Blanchard au sujet d'une annonce faite par le prix Nobel de physique Adam Riess. En compagnie de ses collègues, il avait obtenu une nouvelle valeur de la mythique constante de Hubble. Pour cela, ils avaient utilisé les fameuses étoiles variables que sont les Céphéides, observées avec le télescope spatial Hubble. Or la valeur mesurée était un peu plus élevée que celle déduite de l'analyse des données collectées par Planck en observant le rayonnement fossile.

Astrophysiciens et cosmologistes se sont alors brusquement retrouvés confrontés au dilemme suivant, selon Alain Blanchard :  « soit, on croit aux mesures de la constante de Hubble par Riess, et aux mesures de Planck, et alors on a le signe d'une nouvelle physique, soit il y a une des données qui est un peu biaisée... ».

Le chercheur nous avait ensuite expliqué que, selon lui, cette problématique - nouvelle physique ou biais dans les analyses - allait probablement être très présente en cosmologie au cours des prochaines années.

Une vidéo expliquant le principe de la démultiplication des images d’un quasar par le champ de gravitation d’une galaxie déviant les rayons lumineux. © Royal Astronomical Society, ESA, Nasa

Une salve de publications sur arXiv provenant de la collaboration HOLiCOW, un projet international en cosmologie mené par l'École polytechnique fédérale de Lausanne (EPFL) et le Max Planck Institute, vient confirmer tout à la fois la découverte d'Adam Riess et ses collègues, ainsi que la prédiction d'Alain Blanchard. Une nouvelle mesure de la vitesse de l'expansion de l'univers, en utilisant l'effet de lentille gravitationnelle forte des galaxies sur plusieurs quasars, conduit à nouveau à un conflit avec la mesure de la constante de Hubble fournie par Planck. Mieux, les membres de HOLiCOW retrouvent par une méthode indépendante une valeur proche de celle déduite de l'étude des Céphéides avec, cette fois-ci, une précision de 3,8 %.

Des quasars comme sonde cosmologique 

Pour aboutir à ce résultat, les astrophysiciens ont travaillé dans la cadre du programme COSmological MOnitoring of GRAvItational Lenses (COSMOGRAIL) qui utilise principalement le télescope suisse de 1,2 m situé dans les Andes chiliennes, à proximité des observatoires de l'ESO. L'idée de base a consisté à mesurer des décalages de fluctuations de luminosité dans les multiples images de cinq quasars ayant subi un effet de lentille gravitationnelle. La méthode est plus directe que celles utilisées pour déduire du rayonnement fossile la valeur de la constante de Hubble. Elle repose sur moins d'hypothèses et donc de sources d'erreurs possibles à prendre en compte. Elle est donc plus robuste.

Une vidéo illustrant les décalages dans les fluctuations de luminosité des images d’un quasar avec un fort effet de lentille gravitationnelle. © Royal Astronomical Society, ESA, Nasa

Il y a de bonnes raisons de penser que les quasars sont en réalité des trous noirs supermassifs rendus très lumineux par l'accrétion d'importantes quantités de matière. Leur luminosité fluctue en raison même de la physique des processus liés à l'accrétion et à la génération de rayonnement. Une galaxie massive qui s'interpose entre ce rayonnement et nous va dévier, en raison de son champ de gravitation, les rayons lumineux de sorte qu'ils ne suivront pas les mêmes chemins et ne parcourront pas les mêmes distances. Qualitativement et quantitativement, les temps de parcours sont affectés par l'expansion de l'univers observable et, au final, l'effet de lentille gravitationnelle va se manifester par des images d'un même quasar qui vont varier en luminosité avec des décalages dans le temps. Il est donc possible de déduire de ces décalages, une vitesse d'expansion et donc, la constante de Hubble.

Au final, on trouve une valeur d'environ 72 km par seconde par mégaparsec (un mégaparsec représente environ 3,3 millions d'années-lumière). Le conflit avec les analyses des mesures du rayonnement fossile est désormais plus aigu car avec les Céphéides, il y a deux méthodes de mesure différentes, donc ne partageant pas les mêmes biais expérimentaux possibles qui aboutissent à un résultat comparable.

S'il n'y a pas d'erreur dans les mesures de Planck, il est possible qu'il faille reconsidérer certaines des hypothèses admises concernant le modèle standard en cosmologie mais aussi, et peut-être surtout, en physique des particules. La constante cosmologique n'est peut-être pas une vraie constante, ce qui a des implications sur la nature de l'énergie noire. Ou peut-être existe-t-il une nouvelle famille de neutrinos, une famille qui pourrait, cette fois, nous renseigner sur la nature de la matière noire.

Pour en savoir plus

L'univers accélère trop fort : l'astrophysicien Alain Blanchard nous donne son avis

Article de Laurent Sacco publié le 15/04/2016

Des mesures fines effectuées avec Hubble, qui montrent une accélération de l'expansion trop forte, jettent un doute sur le modèle cosmologique standard. Peut-être faut-il réviser nos idées sur l'énergie noire, dont l'un des découvreurs, le prix Nobel de physique Adam Riess, fait partie de l'équipe qui présente cette étude. Varie-t-elle dans le temps ? Ou bien doit-on donner du poids à l'hypothèse des neutrinos stériles ? L'astrophysicien Alain Blanchard nous donne son avis.

La nature de l'énergie noire, que l'on peut décrire en ajoutant aux équations de la relativité générale un terme baptisé « constante cosmologique », fascine probablement plus les théoriciens que celle de la matière noire. C'est d'elle que dépend le destin ultime de notre univers observable parce que c'est elle qui contrôle son expansion.

L'hypothèse la plus naturelle, peut-être la plus économe, consiste à l'interpréter comme la manifestation de l'état d'énergie minimale des champs de matières et de forces quantiques. Elle se comporte alors comme une vraie constante dans les équations d'Einstein, ce qui veut dire que sa valeur ne devrait pas changer dans l'espace ni dans le temps. Si tel est le cas, l'univers devrait continuer son expansion accélérée à tout jamais et, d'ici 3.000 milliards d’années, il sera méconnaissable. Ce ne sera peut-être pas sa fin si l'on croit à la théorie de la cosmologie conforme cyclique proposée par Roger Penrose.

Mais si l'énergie noire est la manifestation d'une nouvelle physique, avec par exemple un ou plusieurs champs scalaires variables, sa valeur peut évoluer dans le temps et peut-être dans l'espace. Il se peut alors que l'expansion se change en contraction et que le cosmos observable finisse par un Big Crunch, et éventuellement que celui-ci s'accompagne d'un rebond pour une nouvelle phase d'expansion

La constante de Hubble dépend de la nature de l'énergie noire

Or, plusieurs modèles dans lesquels l'énergie noire est variable prédisent que la fameuse constante de Hubble, qui est en quelque sorte une mesure de la vitesse d'expansion de l'univers, doit elle-même varier selon des lois précises, reflétant la nature de l'énergie noire. Cette constante ne l'était d'ailleurs pas vraiment, même en l'absence d'une constante cosmologique, mais c'est en mesurant ses variations dans le temps à l'aide des supernovae que Saul Perlmutter, Adam Riess et Brian Schmidt ont découvert avec leurs collègues la fameuse expansion accélérée de l'univers, et donc la présence de l'énergie noire.

Pour faire le tri entre toutes les lois possibles d'évolution dans le temps de la constante de Hubble, et donc les modèles admissibles d'énergie noire, il faut pouvoir mesurer précisément cette constante. C'est à cette tâche que s'est attelé Adam Riess. Le prix Nobel de physique a pour cela utilisé le télescope Hubble et, comme il l'explique avec ses collègues dans un article déposé sur arXiv, il est tombé sur une énigme.

Les éditions De Boeck ont proposé à l’astrophysicien Richard Taillet d’expliquer dans cette vidéo ce qu’est l’expansion de l’univers et pourquoi les cosmologistes y croient. On apprend ainsi que si l’un de ses principaux découvreurs, Edwin Hubble, ne croyait pas vraiment à l’explication de cette expansion dans le cadre de la théorie de la relativité générale d’Einstein, les observations modernes ne permettent plus d’en douter. L’espace entre les amas de galaxies est bien en expansion à la façon d’une feuille de caoutchouc que l’on étire. © DeBoeckEditions

Une accélération anormalement élevée de l'expansion de l'univers

Rappelons qu'en astrophysique, plus précisément en cosmologie, les échelles de distance sont déterminées à l'aide d'une série de méthodes qui prennent appui les unes sur les autres, de sorte que les différentes erreurs de mesures s'additionnent quand les distances des astres considérés augmentent. On utilise notamment des étoiles variables, les Céphéides, pour déterminer les distances des galaxies les plus proches. Cela permet d'étalonner en particulier d'autres « chandelles standards », en l'occurrence, des supernovae SN Ia. Très lumineuses, elles sont visibles à des milliards d'années-lumière. Ces explosions gigantesques sont censées avoir à peu près toutes la même puissance. Par conséquent, moins elles apparaissent lumineuses, plus elles sont loin. En mesurant les luminosités apparentes de plusieurs SN Ia, on a donc déterminé des distances. Leur décalage spectral vers le rouge indique la date de leur occurrence dans l'histoire de l'univers. Des mesures de date et de distance, cela nous donne des vitesses et, finalement, des changements de vitesses, c'est-à-dire des accélérations.

Les cosmologistes viennent d'affiner les mesures de distances de Céphéides dans des galaxies où ils ont observé des SN Ia. En complétant par d'autres mesures, ils ont alors pu déterminer de façon un peu plus précise la constante de Hubble. Les chercheurs n'ont plus qu'une erreur de 2,4 % sur sa valeur alors qu'elle était de 3,3 % il y a encore quelques années. L'amélioration semble faible mais elle suffit déjà pour mettre en évidence, à défaut de vraiment prouver, une accélération anormalement élevée de l'expansion de l'univers, non prédite à partir des analyses actuelles du rayonnement fossile observé par Planck dans le cadre du modèle cosmologique standard.

Les analyses des données de Planck semblent robustes. Donc, à moins d'un biais systématique quelconque dans les mesures réalisées par Riess et ses collègues (par exemple des chandelles standards qui ne le seraient pas), les données de Planck sont en désaccord avec celles de Hubble. Pour les accorder, il faudrait modifier le modèle cosmologique standard, c'est-à-dire nos idées sur l'énergie noire ou la matière noire. Jusqu'à aujourd'hui, les observations semblaient indiquer que l'énergie noire était bien décrite par une vraie constante cosmologique. Peut-être n'est ce pas le cas...

Une autre possibilité est qu'il existe une quatrième famille de neutrinos dans l'univers. Des neutrinos massifs dit stériles sont proposés depuis un certain temps comme des candidats crédibles au titre de particules de matière noire. Les données de Planck ne sont cependant pas très favorables à cette hypothèse, bien qu'elles ne puissent pas l'exclure selon les chercheurs. Dans tout les cas de figure, si cette accélération anormale existe vraiment, elle pointe vers de la nouvelle physique.

Alain Blanchard est un célèbre cosmologiste français. Membre de l'Institut universitaire de France, il est aussi professeur à l'université Paul Sabatier. Ses travaux concernent les amas de galaxies, le rayonnement fossile et la formation des structures en cosmologie. © IUF

Erreurs de mesure ou bien neutrinos stériles ?

L'année dernière, le cosmologiste Alain Blanchard nous avait expliqué que le catalogue des amas de galaxies dressé grâce aux observations de Planck entrait peut-être déjà en contradiction avec le modèle cosmologique standard. Pour lui, « c'est un des rares résultats de Planck qui pose question. Soit les masses des amas ont été correctement estimées par les observateurs et alors il faut revoir le modèle standard, par exemple en ajoutant des neutrinos massifs, soit les masses sont plus grandes et tout rentre dans l'ordre. Il y a donc deux tendances chez les cosmologistes : ceux qui ont confiance dans les estimations antérieures de masse des amas et qui sont prêts à revoir le modèle (la publication XX de la collaboration Planck en 2013 est un peu dans cet esprit) et ceux qui croient au modèle standard, pensant qu'il faut revoir les estimations de masse des amas (ce qui est l'esprit de la publication Planck 2013 XVI) ».

Contacté par Futura-Sciences, Alain Blanchard confirme qu'effectivement : « soit on croit aux mesures de la constante de Hubble par Riess, et aux mesures de Planck, et alors on a le signe d'une nouvelle physique, soit il y a une des données qui est un peu biaisée... Moi et mes collègues avions été confrontés au même problème avec l'abondance des amas de Planck, une situation que nous avions en fait déjà rencontrée (et titrée !) il y a une dizaine d'années, mais nous n'avions pas bénéficié de la publicité d'un prix Nobel... ».

Pour le chercheur, cette problématique, nouvelle physique ou biais dans les analyses, va probablement être très présente en cosmologie dans les années à venir.

Les secrets de la mission Planck  Le satellite Planck constitue une formidable machine à remonter dans le temps, capable de nous livrer plusieurs secrets sur l'origine, la structure et la composition de l'univers. Les cosmologistes et les astrophysiciens l'ont utilisé pour cartographier sur la voûte céleste, avec une précision inégalée, les fluctuations de température et de polarisation de la plus vieille lumière du monde, celle du rayonnement fossile. Cette vidéo réalisée par le consortium HFI-Planck, l'agence de communication Canopée et avec l'aide de Jean Mouette, de l'IAP (Institut d'astrophysique de Paris), nous explique en quoi consiste cette mission. 

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