Depuis le Big Bang, l'Univers est en expansion accélérée. © Andrea Danti, Adobe Stock
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La fin de l'expansion de l'Univers serait pour bientôt

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[EN VIDÉO] Interview : qu'est-ce que l'énergie noire ?  L’univers est en expansion. Si l’on tient compte de la gravité, cette expansion devrait ralentir et pourtant elle semble accélérer au cours du temps. Ce phénomène pourrait être dû à une force étrange : l’énergie noire. Jean-Pierre Luminet, astrophysicien de renom, explique pour Futura-Sciences ce que recouvre cette étrange notion. 

C'est connu : l'Univers est en expansion, accélérée qui plus est. Les astres s'éloignent les uns des autres, mus par une entité répulsive mystérieuse appelée énergie noire. Des chercheurs ont tenté de la modéliser, et leurs recherches montrent que l'expansion en cours pourrait se stopper dans moins de 100 millions d'années.

En 1998, des scientifiques découvraient, par deux études effectuées en parallèle, que les supernovas de type SN Ia s'éloignaient les unes des autres de plus en plus vite. Ces supernovas, issues de systèmes binaires contenant une naine blanche, sont considérées comme des points de repère en cosmologie, aussi appelées chandelles standard, car leur luminosité reste constante avec le temps. Or, lorsque les chercheurs ont évalué la distance qui les séparait en fonction du temps, ils ont observé que celle-ci augmentait de plus en plus vite en fonction du temps ! On savait déjà à ce moment-là que l'Univers était en expansion, mais le modèle du Big Bang supposait une décélération de cette expansion : les observations démontrèrent l'inverse.

Une énergie noire d'origine inconnue occupe plus de 70 % de notre Univers 

La seule explication trouvée pour expliquer ce phénomène impliquait la présence d'une pression négative causée par une substance inconnue. Nommée « énergie noire », les calculs ont depuis montré qu'elle remplit plus de 70 % du contenu énergétique de notre Univers, sans qu'on soit pour autant capables de l'identifier. Indétectable malgré de nombreuses tentatives, plusieurs théories ont essayé malgré tout de la modéliser. Le modèle le plus utilisé actuellement est le modèle cosmologique standard, qui suppose une accélération constante et qui dépend de la constante cosmologique Λ, qui représente l'énergie du vide. Dans ce cas, l'accélération est constante, donc l'expansion continuera indéfiniment. Mais intéressons-nous à un autre modèle, moins connu : il suppose une énergie noire dynamique, c'est-à-dire variable dans le temps.

Selon le modèle cosmologique utilisé, l'Univers aura différentes fins : le grand déchirement - Big Rip, suppose une énergie fantôme poussant l'expansion à s'accélérer de plus en plus jusqu'à – comme son nom l'indique – déchirer toute la matière existante. Le modèle en rouge correspond au modèle le plus utilisé, le modèle cosmologique standard. Tandis que le Big Crunch correspond à une contraction de l'Univers, en cohérence avec le modèle de la quintessence. © Nasa

Plus exactement, l'énergie noire serait comme une substance déterminée par un champ scalaire, appelée quintessence. À chaque point de l'espace est associée une valeur de cette quintessence V(Φ), qui dépend de la densité d'énergie et de matière qui l'entoure. Elle varie alors dans le temps, et s'oppose ainsi à la théorie qui associe l'énergie noire à la constante cosmologique. Sa longueur d'onde serait de l'ordre de la taille de l'Univers, lui attribuant alors une énergie cinétique presque nulle. Comme la pression associée à la quintessence dépend du rapport entre énergie cinétique et énergie potentielle, celle-ci est négative, donc cohérente avec une énergie répulsive. 

L'accélération deviendrait une décélération d'ici quelques millions d'années

D'après ce modèle, la quintessence peut interagir avec la matière ordinaire lorsqu'elle est en grande quantité, tel un système stellaire, ou plus gros encore, une galaxie. Ainsi, au tout début de l'Univers, alors qu'il était encore compact, la quintessence et la matière auraient interagi fortement, créant comme un boum d'accélération. Puis à mesure que les astres s'éloignent, la densité de matière diminue pour devenir presque une constante, donc l'interaction avec la quintessence aussi.

Dans une étude publiée dans la revue Proceedings of the National Academy of Sciences, un groupe de cosmologues a approfondi l'idée de quintessence. Et leur modèle prédit plusieurs changements pour l'expansion de l'Univers : d'abord, son accélération décélérera puis stoppera prochainement, puis au lieu de s'étendre l'Univers va se contracter petit à petit. Leurs calculs supposent une augmentation progressive de l'énergie cinétique et en parallèle une diminution de l'énergie potentielle : d'où l'évolution vers une pression positive, qui tend à contracter l'Univers au lieu de l'étirer : « à mesure que la densité d'énergie potentielle positive diminue et que la densité d'énergie cinétique vient à la dépasser, la phase actuelle d'expansion accélérée se terminera et passera en douceur à une période d'expansion décélérée. Ensuite, à mesure que le champ scalaire continue d'évoluer vers le bas du potentiel, la densité d'énergie potentielle deviendra suffisamment négative pour que la densité d'énergie totale et, par conséquent, le paramètre de Hubble H(t), atteigne zéro. Par conséquent, l'expansion (H > 0) s'arrêtera complètement et passera progressivement à la contraction (H < 0). », expliquent les chercheurs dans l'étude.

Ici, le potentiel V(PHI) est représenté en fonction du champ scalaire. Actuellement nous nous trouverions près de PHI = ZERO. À termes, l'expansion devrait décélérer, puis l'Univers se contracter. © PNAS, Cosmin Andrei, Anna Ijjas, and Paul J. Steinhardt

Leurs calculs se basent à la fois sur les données observationnelles, et sur une combinaison entre des équations d'état cosmologiques et les équations de Friedmann : ils décrivent ainsi mathématiquement l'évolution du potentiel de champ scalaire, et montrent qu'il diminue petit à petit. Plus étonnamment encore, les intervalles de temps entre l'expansion accélérée et décélérée, puis vers la contraction sont très petits reportés sur une échelle cosmologique ! Comparable à des échelles géologies, selon les chercheurs, l'accélération s'arrêterait dans moins de 65 millions d'années, soit autant de temps qu'il y a eu entre la fin des dinosaures et nous ! 

Quant à la contraction, d'après leur modèle qui suppose une évolution cyclique, elle se produirait lentement, en des milliards d'années. L'Univers se rendrait soit à un stade similaire à celui du Big Bang, soit au Big Crunch : ce sera alors la fin de l'espace-temps tel que nous le connaissons. Ensuite, une nouvelle phase d'expansion, et ainsi de suite. Les chercheurs concluent sur les grandes incertitudes qui accompagnent leur modèle : peu de données disponibles, donc beaucoup de variations dans les résultats. Mais un élément commun demeure, peu importe la théorie utilisée : « nos trois développements théoriques différents pointent vers le même résultat : la fin de l'expansion pourrait survenir étonnamment bientôt », conclut leur étude.

Pour en savoir plus

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

Article de Laurent Sacco publié le 20/05/2009

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...

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.

Starobinski 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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