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L'expansion de l'Univers commence-t-elle à décélérer ?

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L'énergie noire accélérant l'expansion de l'Univers ouvre une fenêtre sur une physique au-delà du modèle standard et c'est de sa nature que dépend le destin du cosmos. Un groupe d'astrophysiciens et de cosmologistes suggère qu'elle a peut-être changé récemment et commencerait à décélérer l'expansion de l'Univers...

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. Crédit : Nasa

La saga de l'énergie noire est peut-être en train de subir un nouveau rebondissement. On se souvient que c'est en 1998 et en 1999 que deux équipes d'astronomes étudiant la relation entre le décalage spectral et la distance des supernovae SN Ia firent la découverte surprenante d'une phase d'accélération récente de l'Univers ayant succédé il y a quelques milliards d'années seulement à la phase de décélération du cosmos après le Big Bang.

Il a fallu se rendre à l'évidence : une sorte de pression négative induite par l'équivalent d'une densité d'énergie particulière présente dans tout l'Univers observable avait pris le dessus sur la densité de matière noire et baryonique en diminution constante depuis sa « naissance ». Si l'on considère en effet un volume d'espace dont les dimensions sont de l'ordre de plusieurs centaines de millions d'années-lumière, afin d'observer à cette échelle une distribution uniforme de matière, la masse comprise dans ce volume est constituée à plus de 70% par celle de l'énergie associée à ce que les astrophysiciens et les cosmologistes appellent maintenant l'énergie noire.

Sa nature est complètement inconnue. Il pourrait s'agir de l'effet des fluctuations quantiques inévitables des champs de particules du cosmos ou bien de l'influence résiduelle d'un champ scalaire analogue à celui du boson de Higgs et qui aurait entraîné une accélération violente mais incroyablement brève de l'Univers bien moins d'un milliardième de milliardième de seconde après l'instant zéro (si tant est que l'Univers observable possède réellement un début du temps). Auquel cas cette énergie noire, qui serait alors décrite par ce qu'on appelle un modèle de quintessence, pourrait voir sa valeur changer dans un futur indéterminé.

Jusqu'à présent, les recherches portant sur l’énergie noire à l’aide de l’étude des supernovae SN Ia ont montré, à la précision des mesures près, que l'énergie noire était bien décrite par un modèle de constante cosmologique depuis des milliards d'années. Sa densité serait donc constante dans le temps.

Si c'est vraiment le cas, alors l'Univers continuera pour l'éternité une expansion sans cesse plus rapide et, pour les formes de vie intelligentes qui l'observeront dans 3.000 milliards d'années, il sera très différent d'aujourd'hui.

La répartition des SN Ia en fonction du redshift permet de choisir entre des modèles d'Univers avec ou sans constante cosmologique accélérant l'expansion. Les observations favorisent clairement l'hypothèse d'une constante. Crédit : Hawaii University

L'accélération est peut-être déjà devenue une décélération

Or, en analysant la somme des observations de SN Ia récemment constituée, un groupe de chercheurs parmi lesquels se trouve le célèbre Alexei Starobinsky, vient de découvrir des indices plaidant en faveur d'un début de ralentissement de l'accélération du cosmos depuis moins de un milliard d'années.

Starobinsky est loin d'être un débutant en cosmologie et avec Yakov Zeldovitch, il fut l'un des premiers à construire des modèles de théories quantiques des champs en espace-temps courbes, notamment dans le domaine de la cosmologie primordiale.

C'est en discutant avec eux à Moscou au début des années 1970 que Stephen Hawking a pu préciser ses connaissances dans ce domaine pour ensuite les appliquer à la découverte qui l'a rendu célèbre : la production de particules par les trous noirs. Le même Starobinsky a publié en 1980 un modèle cosmologique où l'on peut déjà voir l'équivalent d'une phase d'inflation, indépendamment des travaux de Guth et Linde qui sont considérés comme les pères de la théorie de l'inflation presque à la même époque.

D'après Starobinsky et ses collègues Arman Shafieloo, de l'Université d'Oxford, et Varun Sahni de l'Université de Pune (Inde) si l'on étudie sans a priori sur la valeur de l'énergie sombre l'expansion de l'Univers depuis moins de 4 milliards d'années à l'aide des supernovae SN Ia situées à quelques milliards d'années-lumière de notre Galaxie, on trouve des indications intrigantes en faveur d'une variation de sa valeur.

Ainsi, il se pourrait que l'expansion accélérée de l'Univers ait diminué depuis moins de 2,5 milliards d'années, au point de se changer tout récemment en une véritable décélération.

S'ils ont raison, plus que jamais l'avenir de l'Univers est incertain mais l'on pourrait bien voir là les premières manifestations des modèles de supergravité appliqués à la cosmologie par Andrei Linde et sa femme Renata Kallosh. Dans quelques dizaines de milliards d'années seulement, l'Univers subirait alors un Big Crunch en se contractant à nouveau, peut-être pour rebondir en un nouveau Big Bang...

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