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Energie noire : observons celle d'il y a 13 milliards d'années !

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Deux astrophysiciens proposent une méthode simple pour comprendre de quoi est faite la très mystérieuse énergie noire : il suffirait, affirment-ils, de s'intéresser de plus près au rayonnement de l'hydrogène dans la - fameuse - raie à 21 centimètres.

D'après les mesures de WMap, l'énergie noire dans un volume d'espace délimité par un cube de quelque centaines de millions d'années-lumière de côté représente 7O % environ de la masse présente. Crédit : Nasa

Quelle est la nature de l'énergie noire accélérant l'expansion de l'Univers ? C'est une des questions les plus importantes de la science contemporaine. Pour y répondre, il faudrait savoir si celle-ci était variable ou pas pendant les premières centaines de millions d'années de l'histoire de l'Univers observable. Les astrophysiciens Avi Loeb et Stuart B. Wyithe pensent savoir comment s'y prendre, malgré la difficulté à trouver des étoiles traçant le rythme d'expansion de l'Univers pendant la période connue sous le nom des âges sombres.

Pendant des dizaines d'années, la constante cosmologique introduite par Einstein a été le serpent de mer de la cosmologie moderne. Selon les théoriciens et les observations, sa disparition ou sa réintroduction dans les modèles de cosmologie relativiste étaient proposées pour divers motifs. La situation a radicalement changé depuis 1998, lorsque les mesures de la luminosité apparente des supernovae SN Ia indiquèrent de façon de plus en plus claire que l'Univers était en accélération sous l'influence du terme mystérieux qu'Einstein avait été conduit à ajouter à ses équations en 1917 pour obtenir un Univers fini, éternel et statique.

Modulo certaines corrections, les astrophysiciens pensent en effet que les supernovae SN Ia explosent toutes avec des luminosités comparables. Ainsi, en fonction de la distance où elles se trouvent dans le cosmos par rapport à un observateur, leurs luminosités apparentes peuvent servir à estimer cette distance. Or, dans un Univers en expansion, les sources de lumières présentes dans des amas de galaxies présentent un décalage spectral vers le rouge (redshift) et, comme Hubble l'a montré, il y a une relation entre le décalage observé et la distance de ces sources.

Selon le rythme d'expansion de l'Univers, la courbe de répartition des luminosités apparentes des SN Ia en fonction de la distance, et donc en fait le redshift, ne sera pas la même et c'est ainsi que l'expansion accélérée a été découverte.

La répartition des SN Ia en fonction du redshift permet de choisir entre des modèles d'Univers avec ou sans constante cosmologique Crédit : Hawaï University

Une constante physique sans interprétation claire

Ce succès spectaculaire du point de vue des observations pour la cosmologie cache en fait un échec considérable du point de vue de la théorie. La constante introduite par Einstein ne l'a été que d'un point de vue essentiellement phénoménologique. Pendant longtemps, il n'était pas évident qu'elle puisse avoir une interprétation dans le cadre d'une théorie physique qui prédirait son existence.

Yakov Zeldovitch, l'un des plus grands cosmologistes du XX ième siécle Crédit : Photo ca. 1950, Prof. V. I. Goldanskii

L'un des premiers à avoir des idées claires sur le sujet fut Yakov Zeldovitch, qui prit au sérieux une idée vague que certains, comme Pauli, avaient déjà eue : la constante d'Einstein devait représenter l'état d'énergie minimale des champs quantiques de l'Univers.

La constante cosmologique serait alors une densité d'énergie produite par les fluctuations quantiques incessantes des champs de matières et de forces, exigées par les inégalités de Heisenberg.

Si cette interprétation est effectivement séduisante, et explique automatiquement l'apparition de la constante d'Einstein, elle pose au moins deux problèmes :

  • le premier, qui est le plus redoutable, est que si l'on cherche à calculer à partir des équations de la physique la valeur de cette énergie on trouve une quantité monstrueuse en désaccord total avec les estimations fournies par les supernovae. Tellement énorme qu'un centimètre cube de vide contiendrait bien plus d'énergie qu'il n'en faudrait pour faire bouillir les océans de la planète. Le champ de gravitation produit par cette densité d'énergie serait si fort que l'Univers n'aurait jamais pu entrer en expansion, ou si peu qu'il se serait déjà effondré sur lui-même comme un trou noir depuis longtemps.
  • si la constante cosmologique représente bien un niveau d'énergie minimale de l'état des champs quantiques de l'Univers, rien n'interdit que non seulement cette énergie minimale puisse varier dans le temps mais aussi qu'il puisse exister différents minima instables. L'Univers tel que nous le connaissons pourrait alors transiter brusquement par effet tunnel dans une autre configuration, avec des types de forces et de particules différentes. La constante cosmologique n'en serait alors pas une.

Dans les deux cas de figures, cela souligne un manque dans notre compréhension des lois fondamentales de l'Univers. Ce sont aussi des opportunités pour dépasser ce qu'on appelle le modèle standard de la physique des particules élémentaires et la théorie de la relativité générale d'Einstein.

Les astrophysiciens ont donc assez rapidement entrepris de multiplier les observations de supernovae en nombre, et surtout en volume d'Univers observable, afin de gagner en précision pour détecter d'éventuelles variations de la constante cosmologique dans le temps et dans l'espace : en vain jusqu’à présent.

Selon certaines théories spéculatives au-delà du modèle standard comme les théories de supergravité, de Kaluza-Klein et des supercordes, il pourrait exister une série de champs quantiques de particules, notamment des champs scalaires, qui produiraient naturellement une constante cosmologique variable mais principalement au début de l'Univers, lors de ses premières secondes et peut-être jusqu'à son premier milliard d'années.

Un moyen de tester ces théories pourrait donc provenir de la mise en évidence d'une variation du rythme d'expansion de l'Univers pendant ces périodes, en raison d'une lente dérive de la constante cosmologique, avant qu'elle ne se fige dans l'état qui nous apparaît comme constant depuis plusieurs milliards d'années.

Une énergie noire difficile à étudier quand naissent les étoiles

Les chercheurs se trouvent alors confrontés à un problème pour la période de l'Univers s'étendant de la recombinaison à la réionisation.

En effet, lorsque la température de l'Univers a chuté en dessous de 3.000 K, assez rapidement mais pas instantanément vers 380.000 ans après la naissance de l'Univers observable, celui-ci s'est retrouvé dans un état où la formation massive d'atomes d'hydrogène et d'hélium est devenue possible.

Comme il n'y avait pas encore d'étoiles, l'Univers est passé de la brillance de la surface solaire à celle d'un ciel noir, c'est ainsi qu'ont débuté ce qu'on appelle les âges sombres de l'Univers, qui n'ont vraiment pris fin que quelques centaines de millions d'années plus tard avec la Renaissance Cosmique.

Très rapidement cependant, des étoiles ont dû commencer à se former au bout de 100 millions d'années, et le rayonnement UV intense produit a fini par réioniser majoritairement l'hydrogène atomique HI du cosmos. A moins que ce ne soit aussi sous l'action de la matière s'accrétant autour des premiers trous noirs ancêtres des noyaux actifs de galaxies, les quasars. A l'heure actuelle, on pense que les deux processus auraient pu opérer mais l'on ne sait pas lequel était dominant.

Du début des âges sombres à la Renaissance Cosmique. Plus la lumière reçue présente un haut décalage spectral (redshift) z, plus l'observation est ancienne. Lorsque les étoiles se sont formées, elles ont transformé l'hydrogène atomique HI neutre en hydrogène ionisé HII en émettant des rayons UV intenses. Le même effet pourrait aussi provenir des quasars.

La Renaissance Cosmique, c'est donc la fin des âges sombres qui s'accompagne à la fois de la présence d'un grand nombre d'étoiles dans l'Univers et surtout d'un réionisation quasi complète de l'hydrogène permettant à nouveau aux photons de traverser le cosmos sans se faire absorber de façon importante par les atomes.

Si l'on veut savoir si la constante cosmologique était variable ou non pendant les âges sombres, quels sont alors les indicateurs pouvant remplacer les supernovae SN Ia qui n'existaient pas alors ? Et plus généralement, comment avoir des informations fiables et précises sur cette période avec peu ou pas d'étoiles ?

La raie à 21 cm de l'astrobiologie à la rescousse !

Dans une série de publications sur Arxiv, Avi Loeb et Stuart B. Wyithe proposent de contourner en partie le problème en prenant appui sur des observations récentes utilisant la fameuse raie à 21 cm que connaissent bien ceux qui s'intéressent au programme Seti pour la recherche de la vie extraterrestre.

L'atome d'hydrogène possède en effet des niveaux d'énergies fins résultant de l'interaction du spin de son électron avec celui de son proton. Selon que le spin de l'électron est parallèle ou antiparallèle par rapport à celui du proton, le niveau d'énergie de l'électron n'est pas le même et une transition avec l'émission d'un photon possédant une longueur d'onde de 21 cm est possible.

Tous les dix millions d'années en moyenne, le spin d'un électron bascule relativement à celui du proton dans un atome d'hydrogène et un photon de longueur d'onde 21 cm est émis. Crédit : James Schombert

Comme l'hydrogène est l'élément le plus abondant de l'Univers il en résulte qu'on peut détecter dans les galaxies cette émission particulière de l'hydrogène neutre. Avant la réionisation, cette raie à 21 cm devait être omniprésente. On pensait que juste après la réionisation, il ne restait pas assez de poches d'hydrogène neutre présentes dans le milieu intergalactique pour produire un signal suffisamment exploitable à cette longueur d'onde. Il semblerait qu'il n'en soit rien !

D'après les deux chercheurs, sur une période étendue, à cheval sur la fin de la réionisation, la prochaine génération de radiotélescopes devrait permettre de cartographier les zones d'hydrogène neutre juste avant et après la fin de la réionisation.

Par habitude, les astrophysiciens parlent d'un décalage spectral vers le rouge fonction d'une quantité z donnée. Plus celle-ci est importante, plus les observations montrent une région lointaine de l'Univers dans un passé plus reculé. Selon eux, la raie de l'hydrogène devrait constituer un moyen inégalé pour observer ce qui s'est passé dans le passé du cosmos pour une valeur de z comprise entre 3,5 et 12.

Grâce à elle, non seulement il devrait être possible de savoir si ce sont les premières étoiles ou les premiers quasars qui ont réionisé majoritairement l'Univers, mais on devrait aussi pouvoir remonter à de possibles variations de la constante cosmologique à travers l'influence de celle-ci sur la dynamique des nuages d'hydrogène neutre pendant cette période ancienne de l'histoire de l'Univers, s'étendant d'un peu avant la fin des âges sombres à quelque temps après la Renaissance Cosmique.

Selon la nature variable ou non de l'énergie noire, l'Univers finira par un Big Crunch ou continuera éternellement son expansion. Sur ce shéma, on voit la décélération puis l'accélération de l'expansion de l'Univers observable en fonction du temps en abscisse. Crédit : Nasa

Qui peut savoir ce que nous aurons découvert à ce sujet et par ce moyen d'ici une dizaine d'années ? Peut-être tout simplement le destin ultime de l'Univers !