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L'énergie noire contrôle la croissance des amas de galaxies

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Elle a été introduite théoriquement en 1917 par Albert Einstein et observée une première fois en 1998 par deux groupes indépendants d'astronomes... Il s'agit bien sûr de la constante cosmologique. Des observations menées à l'aide du satellite Chandra montre qu'elle n'accélère pas seulement l'Univers mais contrôle aussi la croissance des amas de galaxies.

L'histoire de l'Univers, une lutte entre la matière noire et l'énergie noire pour le contrôle des amas de galaxies. Crédit : A.Vikhlinin et al.

La découverte de l'expansion de l'Univers remonte à Edwin Hubble mais on sait bien qu'elle est une conséquence des équations de la relativité générale. Dans le cadre de la théorie d'Albert Einstein, lorsque qu'on cherche à construire un modèle cosmologique, un univers dynamique est bien plus naturel qu'un univers statique. Du fait de l'expansion d'un tel univers, sa densité de matière diminue avec le temps ainsi que sa vitesse d'expansion. Si la quantité de matière est suffisante, il arrivera un moment où l'expansion se changera en contraction.

Imaginons maintenant, toujours dans un modèle de cosmologie relativiste, une substance extraordinaire dont la densité reste constante dans l'espace même lorsque celui-ci s'étire, que se passerait-il alors ?

Il arrivera nécessairement un moment où la quantité de cette substance dominera celle de la matière et l'on peut même montrer qu'elle sera capable d'entraîner une accélération de l'expansion du cosmos. Cette substance magique existe, les astronomes l'ont observée à l'aide des supernovae en 1998 et on lui a depuis donné le nom d'énergie noire...

Sa nature exacte est toujours mystérieuse mais son interprétation la plus simple est celle d'une énergie du vide quantique. La densité de l'énergie noire pourrait varier dans le temps et il existe certains modèles issus de la physique des particules élémentaires, comme la supergravité et la théorie des cordes, qui autorisent un tel comportement.

Toutefois, les seules équations de la relativité générale admettent naturellement une légère extension dans laquelle cette énergie noire possède une densité constante dans le temps, et pas seulement dans l'espace, partout dans l'Univers, on parle alors d'une constante cosmologique.

Dans tous les cas de figure, la valeur de cette constante cosmologique est un défi pour toutes les théories et il semble clair que de la physique au-delà du modèle standard soit nécessaire pour comprendre, non seulement l'existence de cette énergie noire mais aussi, paradoxalement, sa faible valeur (il existe en effet un écart énorme entre les prédictions théoriques à son sujet et les observations, de l'ordre de 10120 le plus souvent). On comprend donc pourquoi des tests observationnels permettant de départager les différentes théories existantes soient activement recherchés et mis en pratique par les astrophysiciens.

La matière noire noire (dark matter) ne représente que 22% de la densité de l'Univers, par contre l'énergie noire (dark energy) représente aujourd'hui 74% de cette densité. Dans le passé de l'Univers, ces proportions étaient différentes et à une certaine époque, la matière noire dominait. Crédit : NASA/CXC/M.Weiss

Comment peser un amas ?

C'est ce qui vient d'être fait par une équipe qui a utilisé le regard pénétrant dans le domaine des rayons X du satellite Chandra. Ce dernier avait déjà fourni une preuve solide en faveur de l'existence de la matière noire en observant une collision d’amas de galaxies. C'est à nouveau au niveau des amas que la meilleure preuve et la plus précise à ce jour de l'existence de l'énergie noire vient d'être obtenue.

En bonus, et au moins pour ce qui concerne une grande partie de l'histoire de l'Univers, la nature de l'énergie noire semble bien être, plus que jamais, celle d'une véritable constante cosmologique ne variant pas dans le temps.

Sans exclure des modèles dans lequel l'énergie noire découlerait de l'état d'énergie minimale d'un champ scalaire encore inconnue, mais susceptible de varier dans le temps, sa nature apparaît très proche de celle proposée il y a longtemps déjà par le grand cosmologiste Yakov Zeldovitch. L'énergie noire découlerait alors des simples fluctuations quantiques des champs de matière et d'interactions que l'on observe dans le cas de l'effet Casimir.

L'idée derrière les travaux des astrophysiciens menés par Alexey Vikhlinin est simple.

Abell 85 est l'un des amas étudié par Chandra, l'émission en rayon X du gaz inter-amas est ici en violet. Elle est surimposée à une image de l'amas prise dans la bande optique. Crédit : (NASA/CXC/SAO/A.Vikhlinin et al.), Optique (SDSS)

On sait que c'est la matière noire qui a servi de germe à la formation des galaxies et des grandes structures que sont les amas de galaxies. Or, même si l'expansion de l'Univers ne commence vraiment qu'au-delà des amas (l'attraction gravitationnelle de la matière noire étant trop forte pour que l'expansion de l'espace se produise), le taux de croissance de la taille des amas par rassemblement des galaxies doit, lui, être le produit d'un compromis entre la force de gravitation de la matière noire des amas et le taux d'expansion de l'Univers.

Si l'on mesure donc l'accroissement de la taille, et donc de la masse des amas, au cours de l'histoire de l'Univers il devient alors possible d'y lire l'influence et la nature de l'énergie noire contrôlant le taux d'expansion de l'Univers. Mais comment mesurer la masse des amas ?

Il se trouve que les galaxies et la matière noire des amas baignent dans un gaz de matière normale chaud porté à une température si élevé qu’une émission importante dans le domaine des rayons X en résulte. De même que la luminosité des étoiles est reliée à leur masse, en mesurant à l'aide du satellite Chandra la luminosité des amas dans ce domaine des longueurs d'onde il devient possible de les peser.

Quelques-uns des amas étudiés avec Chandra. A gauche les amas récents sont plus massifs et plus grand que ceux dans un lointain passé à droite. Crédit : Crédit : NASA/CXC/SAO/A.Vikhlinin et al.

Plus de 80 amas ont ainsi été examinés et il est clairement apparu que le taux de leur croissance au cours du temps est bien conforme à ce que l'on attend en présence de l'énergie noire dans un Univers à la géométrie plate.

Si cette dernière n'était pas présente, on réalise aujourd'hui que nous serions toujours dans un régime où les collisions entre galaxies seraient très fréquentes du fait d'une croissance toujours importante de la taille des amas. La galaxie d'Andromède et notre Voie lactée seraient probablement déjà entrées en collision par exemple.

L'évolution de la masse (weight) des amas (cluster) de galaxies est en bo accord avec l'évolution de l'expansion de l'Univers (scale) au cours du temps si on suppose la présence de l'énergie noire (ligne orange). Les cas sans énergie noire mais avec peu ou beaucoup de matière sont représentés respectivement par les lignes bleue et jaune. Crédit : NASA/CXC/M.Weiss

C'est une nouvelle confirmation indépendante de l'existence de l'énergie noire qui s'ajoute à celles déjà fournie par l'étude des supernovae SN Ia et du rayonnement fossile à l’aide de WMap. Mieux, lorsque l'on regroupe les mesures effectuées par ces trois méthodes, on trouve une forte contrainte sur la nature de l'énergie noire qui, au moins pendant la majeure partie de l'histoire du cosmos se comporte bien comme une constante cosmologique. C'est évidemment un grand succès de plus pour le modèle cosmologique standard et la relativité générale d'Einstein mais c'est frustrant pour ceux qui voudraient tirer de l'étude de l'expansion accélérée de l'Univers des informations pour de la physique exotique, comme la supergravité ou la théorie des supercordes.

Si la constante cosmologique n'en est pas une et a significativement évolué dans le temps, cela n'est probablement observable que pendant les premiers centaines de millions d'années de l'histoire du cosmos observable, pendant les âges sombres, donc alors que les étoiles n'existaient pas encore ou commençaient tout juste à se former. Obtenir des informations sur ce qui se passait alors est évidemment un redoutable défi.

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