La carte la plus précise du rayonnement du fond diffus cosmologique tracée par le satellite Planck de l'Esa. © Esa, Collaboration Planck, D. Ducros

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Une énergie noire variable, la solution de l'énigme de l'expansion de l'univers ?

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La valeur de la fameuse constante de Hubble, reliée à l'accélération du cosmos observable, n'est pas la même selon qu'on la déduit des observations du rayonnement fossile ou des supernovae. L'introduction d'une nouvelle physique basée sur la théorie des cordes pourrait éliminer ce désaccord en rendant l'énergie noire variable.

Récemment, il a été confirmé que l'écart entre la détermination de la valeur de la constante de la fameuse loi de Hubble-Lemaître, grâce aux données de Planck concernant le rayonnement fossile et la détermination de cette constante en étudiant les supernovae SN Ia à l'aide du télescope Hubble, était sérieux. Il ne pouvait très vraisemblablement pas s'agir d'un biais dans les mesures obtenues par l'une des deux méthodes et pas plus de fluctuations statistiques.

Ce désaccord rendait les cosmologistes perplexes car il n'était pas évident de modifier le modèle cosmologique standard utilisé pour analyser et interpréter les mesures afin de les réconcilier, sans perdre d'une autre façon l'excellent accord entre les prédictions théoriques et les observations.

On pouvait toutefois tenter de modifier l'explication apportée à l'accélération récente de l'expansion de l'univers observable. Rappelons que cette accélération peut faire intervenir de l'énergie noire mais ce n'est nullement une nécessité, de sorte que découvrir que l'énergie noire n'existe pas ne remettrait pas en cause l'attribution du prix Nobel de physique aux découvreurs de cette accélération, Adam Riess, Brian Schmidt et Saul Perlmutter.

On la prend en compte dans le modèle cosmologique standard en introduisant dans les équations de la relativité générale la fameuse constante cosmologique d’Einstein dont les interprétations possibles sont multiples. Elle est considérée comme invariable dans l'espace et dans le temps, et elle se comporte comme une densité d'énergie qui serait constante malgré l'expansion du cosmos observable, ce qui ne serait pas le cas pour un gaz de particules ordinaire, neutrinos, photons, noyaux.

Une présentation de la théorie de la cordes. Pour obtenir une traduction en français assez fidèle, cliquez sur le rectangle blanc en bas à droite. Les sous-titres en anglais devraient alors apparaître. Cliquez ensuite sur l'écrou à droite du rectangle, puis sur « Sous-titres » et enfin sur « Traduire automatiquement ». Choisissez « Français ». © Fermilab

Des centaines de nouvelles particules derrière l'énergie noire ?

Toutefois, une équipe de cosmologistes vient de publier un article disponible en accès libre sur arXiv qui apporte une solution à l'énigme des mesures de Planck et Hubble en remettant en cause ces idées. Le Français, Vivian Poulin, et l'États-Unien, Marc Kamionkowski, tout deux en poste à l'Université Johns Hopkins, y expliquent avec leur collègue, qu'ils ont considéré en particulier un modèle de quintessence avec des propriétés partagées par plusieurs modèles d'énergie noire. Rappelons qu'un modèle de quintessence fait intervenir un nouveau champ scalaire, cousin de celui du boson de Brout-Englert-Higgs, mais qui n'a d'effet que par la gravité qu'il génère en introduisant une densité d'énergie dans le vide, et que ce champ et la densité induite est variable dans le temps.

En l'occurrence, les chercheurs introduisent en fait un très grand nombre de nouveaux champs scalaires souvent impliqués par des modèles de théories des cordes (string en anglais) et qui -- par leur analogie avec le champ axionique accompagnant une célèbre classe de particules proposée pour rendre compte de la matière noire cette fois-ci, les axions -- ont conduit à la notion en anglais de « string axiverse ». Techniquement, ces champs découlent de la topologie (cycles) des espaces géométriques utilisés sous forme de dimensions spatiales supplémentaires à la Kaluza-Klein de la théorie des cordes.

En pratique, ces champs se comportent comme une vraie constante cosmologique au début de l'histoire du cosmos observable mais cette constante ne l'est plus ensuite et elle évolue dans le temps (plusieurs types de variations sont possibles) de sorte qu'elle se comporte comme un gaz de particule normale dont la densité décroît. Au moment de l'émission du rayonnement fossile, environ 380.000 ans après le Big Bang, l'expansion du cosmos observable est alors un peu plus rapide que ce que l'on pensait (3 %) alors que la densité du cosmos est due à environ 10 %  aux champs scalaires (plusieurs centaines) du « string axiverse ».

Pour atteindre cette conclusion, les chercheurs ont eu besoin d'implémenter sur un superordinateur ce nouveau modèle cosmologique dépendant de plusieurs paramètres afin de voir si, dans l'espace des valeurs possibles de ces paramètres, il y en avait un prédit par la théorie qui permettait de reproduire les succès du modèle cosmologique standard tout en supprimant le désaccord entre Planck et Hubble.

Comme on l'a dit, c'est bien le cas, mais cela ne suffit pas pour en conclure que nous avons résolu l'énigme, d'autant plus que plusieurs scénarios d'axiverse sont possibles. Les cosmologistes travaillent donc pour obtenir de nouvelles prédictions testables qui feraient la différence entre les modèles et qui permettraient de les départager dans un avenir plus ou moins proche. Les chercheurs pensent en particulier aux flots de nouvelles données que devraient fournir le LSST et le satellite Euclid.

  • Personne ne sait vraiment quelle est la cause de l'accélération de l'expansion du cosmos observable qui a débuté il y a quelques milliards d'années.
  • Elle se décrit dans le modèle cosmologique standard par une constante cosmologique qui ne change ni dans le temps ni dans l'espace.
  • On peut l'étudier avec des mesures de la constante de Hubble et l'expliquer en introduisant la notion d'énergie noire.
  • Hubble et Planck fournissent des valeurs divergentes, ce qui suggère qu'il faut remettre en cause la description de la constante cosmologie mais ça n'est pas simple.
  • Il semble qu'une constante cosmologique variable dans le temps, produite par de nouveaux champs de particules scalaires, venant notamment de la théorie des supercordes, élimine cette divergence tout en conservant les succès du modèle standard en cosmologie.
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