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Univers : la quête de l'énergie noire

Dossier - Cosmologie : quelle est notre place dans l'univers ?
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Non, la Terre n’est pas au centre de l’univers. Le Soleil non plus. Notre planète, notre galaxie sont des anonymes perdus dans l’immensité du cosmos. Découvrez ici quelques notions de cosmologie qui vous permettront de mieux comprendre quelle est notre place dans l’univers.

  
DossiersCosmologie : quelle est notre place dans l'univers ?
 

Le contenu « Énergie-Matière » de l'univers est dominé à 70 % par l'énergie noire. Mais comment la détecter ? La quête de l'énergie noire a déjà commencé.

Comme vu précédemment dans ce dossier, l'observation de supernovae, considérées comme des chandelles standard, indique que l'expansion de l'univers s'accélère (résultat corroboré par d'autres méthodes) contrairement aux prédictions du modèle du « Big Bang standard ».

Ce résultat n'est pas en contradiction avec la théorie de la relativité d'Einstein puisqu'il « suffit » de trouver un « contenu Énergie-Matière » ayant un effet de gravitation « répulsive » et non « attractive » comme le fait la matière (noire ou non).

Découvrira-t-on un jour la vraie nature de l'énergie noire ? Ici, Le VLT (very large telescope), au Chili. © Fmillour, CC by-sa 3.0

Cette découverte révèle en fait l'existence d'une nouvelle forme d'énergie appelée énergie noire. Cette énergie aurait des propriétés analogues à celles que possède « l'énergie du vide » de la physique des particules et dominerait (de nouveau) à notre époque la dynamique de l'univers !

La caméra MegaPrime (à gauche), construite par le CEA, est installée au télescope du CFH, à Hawaï. Il s'agit d'une caméra constituée d'une mosaïque de 40 CCD (à droite). Cette caméra couvre un champ de 1 degré x 1 degré sur le ciel. La surface couverte permet, avec des observations séparées de quelques jours, de toujours avoir des supernovae qui explosent dans la zone de ciel considérée. © CEA/CFH

Nature de l'énergie noire

Après la phase de découverte au cours des années 95, de nombreux efforts sont déployés pour avérer définitivement cette phase d'accélération et, surtout, en identifier le moteur. L'enjeu se situe dans la détermination de la nature de cette énergie noire (et la détermination d'une possible évolution avec le temps cosmique) et ses conséquences profondes pour notre connaissance fondamentale de l'univers et de ses lois.

Une fraction importante des distances des supernovae du programme SNLS ont été mesurées à l'aide des spectrographes installés sur les télescopes de 8 m constituant le VLT à Paranal, au Chili. © ESO

Le LAM et le CPPM collaborent dans cette perspective sur des projets conjoints. Ces projets sont basés entre autres sur l'observation de supernovae lointaines à l'aide de télescopes au sol ou embarqués. En particulier ces laboratoires participent à l'analyse des supernovae du SNLS observées sur les télescopes CFHT, à Hawaï, et VLT, au Chili.

En parallèle, les deux laboratoires participent à la définition d'un spectrographe qui sera installé sur le futur satellite dédié à la caractérisation de l'énergie noire JDEM/SNAP. Cet instrument spatial fournira des données d'une richesse et d'une précision inégalée dans ce domaine en plein développement.

Le projet de satellite SNAP (Supernova/Acceleration Probe) sera capable, chaque année, de mesurer la distance de milliers de supernovae lointaines et de couvrir de vastes zones du ciel pour détecter et mesurer les effets de lentille gravitationnelle créés par la répartition de la matière noire dans l'univers. L'ensemble de ces mesures permettra de retracer l'histoire de l'expansion cosmique au cours des 10 derniers milliards d'années et de déterminer la nature de l'énergie noire et son éventuelle évolution avec le temps cosmique. © SNAP/LBL

L'observation des supernovae et des rayons gamma

L'accélération de l'expansion de l'univers mise en évidence serait en fait un évènement « récent » dans l'histoire cosmique puisque l'énergie noire qui en serait le moteur ne (re)gouvernerait la dynamique de l'univers que depuis 2 ou 3 milliards d'années. Avant cette phase, c'est en principe la matière qui dominait cette dynamique, conduisant à la décélération de l'expansion. C'est ce que l'observation des supernovae les plus lointaines et celle d'autres astres montrent jusqu'à présent.

Cependant, confirmer la « régularité » de cette expansion sur des durées cosmiques très grandes reste un objectif pertinent. Pour cela, les supernovae ne peuvent plus être de bonnes sondes car leur luminosité intrinsèque est trop faible.

Il faut envisager d'utiliser les astres les plus énergétiques qui existent dans l'univers. Ces astres sont les sursauts gamma (ou GRB : Gamma Ray Burst) qui peuvent être (durant une fraction de seconde) au moins 100 fois plus lumineux que les supernovae. Ces objets émettent dans la gamme des rayons γ, des rayons X, dans le domaine visible et dans l'infrarouge.

Le projet de satellite SVOM/Eclair permettra d'observer les sursauts gamma dans les domaines X, gamma et infrarouge. Associé à des télescopes au sol sensibles au rayonnement visible, il permettra l'observation simultanée et multi-longueur d'ondes de ces astres furtifs et mystérieux. © DR

Des études en cours montrent que ces étoiles en explosion pourraient constituer, comme leurs sœurs supernovae, des chandelles standard d'une portée considérable. De plus, les plus lointains de ces astres seraient probablement des « représentants » des toutes premières générations d'étoiles jamais créées. Il serait possible en les découvrant de voir les premières étoiles de l'univers une par une !

NB : le LAM est impliqué, comme co-responsable et avec d'autres laboratoires français, en collaboration avec la Chine, dans un projet de satellite (SVOM/ECLAIRS) dédié à l'observation de ces objets encore très mystérieux mais très prometteurs pour la cosmologie.