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Énergie noire et futur de l'univers

Dossier - La mystérieuse énergie noire
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Une large majorité du contenu de l'univers se trouve sous la forme d'une énergie inconnue. Cette énergie étonnante signale peut-être une nouvelle physique au-delà du modèle standard. Elle a reçu le nom d’« énergie noire ». Découvrez ses mystères dans ce dossier.

  
DossiersLa mystérieuse énergie noire
 

Comme vient de nous le montrer le chercheur théoricien Philippe Brax (interview pages 3 à 9 de ce dossier), la nature de l'énergie noire est un sujet fort riche avec une pléthore de modèles théoriques possibles, dont certains n'ont malheureusement pas été mentionnés ici. Pour ceux qui souhaitent en savoir plus, ce dossier se termine par quelques liens techniques comportant eux-mêmes une large bibliographie.

Le satellite Euclid (image d'artiste) de l'Esa devrait nous permettre d'en savoir un peu plus sur la nature de l'énergie noire et donc peut-être sur le destin de l'univers. © Esa

Nous avons vu que l'étude de l'énergie noire était susceptible d'apporter des informations sur de la physique au-delà du modèle standard. Il est bien possible que ce soit l'unique moyen de tester des théories de gravitation quantique spéculatives, comme la supergravité, la théorie des supercordes ou la  gravitation quantique à boucles.

Si la masse de Planck (l'échelle d'énergie à laquelle les effets de la gravitation quantique sont nettement perceptibles) est bien de 1016 TeV, ni le LHC avec ses collisions à 7 voir 14 TeV, ni un accélérateur du futur ne pourront jamais nous permettre de tester ces théories fondamentales pour comprendre la naissance de l'univers observable.

Le satellite Euclid (image d'artiste) de l'Esa devrait nous permettre d'en savoir un peu plus sur la nature de l'énergie noire et donc peut-être sur le destin de l'univers. © Esa

La cosmologie, en tant que  laboratoire pour l'infiniment petit, serait donc la seule fenêtre observationnelle qui nous soit accessible.

Éclaircir la nature de l'énergie noire n'est pas seulement susceptible de nous donner la clé de la naissance de l'univers, elle peut aussi nous donner celle de son destin.

En effet, si l'énergie noire n'est pas vraiment décrite par une constante cosmologique, et qu'elle peut varier, l'avenir du cosmos peut être très différent d'une expansion accélérée éternelle. Cette dernière conduisant asymptotiquement à la mort thermique de l'univers selon un scénario déjà exploré, mais sans constante cosmologique à l'époque, par le grand physicien Freeman Dyson.

Selon la nature variable ou non de l'énergie noire, l'univers finira par un Big Crunch ou continuera éternellement son expansion. Sur ce schéma, on voit la décélération puis l'accélération de l'expansion de l'univers observable en fonction du temps en abscisse. Trois scénarios possibles pour la fin de l'univers apparaissent alors. © Nasa/CXC/M. Weiss

De manière générale, lorsque l'on introduit un champ scalaire variable dans le temps, on parle à son sujet de quintessence.

Il s'agit d'un clin d'œil au concept de quintessence décrivant la nature de l'espace chez Aristote, le grand philosophe grec, et s'ajoutant aux quatre éléments constituant le cosmos (eau, feu, air, terre). C'est donc également une allusion au fait qu'il existe quatre composants fondamentaux à l'échelle cosmologique dans l'univers : la matière baryonique (composant les atomes connus sur terre), les photons du rayonnement fossile, les neutrinos (principalement composés du fond cosmologique de neutrinos) et la fameuse matière noire.

Les trois destinées possibles de l'univers observable

Sur ce schéma, on peut voir les trois destinées possibles pour l'univers observable. © Nasa/STScI/Ann Feild

Comme indiqué sur le schéma ci-dessus, la destinée de l'univers observable passe par trois scénarios possibles.

  • Il finira par un Big Crunch si l'énergie noire est décrite par un champ scalaire dont la densité d'énergie va varier de telle sorte qu'elle finira par devenir attractive plutôt que répulsive (Il existe ainsi des modèles de supergravité, comme celui avancé par  Renata Kallosh et Andrei Linde, dans lesquels l'accélération de l'univers s'arrête pour se changer en contraction et finir en quelques dizaines à quelques centaines de milliards d'années par un Big Crunch).
  • Si l'on a affaire à une constante cosmologique, l'expansion durera éternellement.
  • Dans le cas où l'énergie noire est décrite par un champ scalaire particulier dit « fantôme » la valeur de l'énergie noire devient infinie en un temps fini de l'ordre de 20 milliards d'années. Dans cette hypothèse, même les forces nucléaires liant les noyaux de notre corps ne pourront pas s'opposer à une force de répulsion qui dissociera toutes les structures matérielles de l'univers. L'expansion se manifestera à des échelles de plus en plus petites, passant du niveau des amas de galaxies jusqu'aux noyaux des atomes et en dessous. C'est le scénario du Big Rip.

L'accélération de l'expansion de l’univers est un phénomène que l’on impute à l’énergie noire. Cette énergie hypothétique aurait le comportement d’une force répulsive, inverse à la gravitation. Futura-Sciences a questionné Aurélien Barrau astrophysicien spécialisé en cosmologie et auteur du livre Des univers multiples, afin qu’il nous explique comment sa détection serait possible. © Futura-Sciences

Avec de la chance, des programmes comme ceux du LSST et Euclid devraient nous en dire plus dans les années à venir.