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Les difficultés du Big Bang : matière et énergie noires

Dossier - Au-delà du Big Bang : balade en cosmologie
DossierClassé sous :cosmologie , Univers , Aurélien Barrau

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La théorie du Big Bang en cosmologie est satisfaisante à bien des égards, mais ne répond pas à des anomalies observées, comme l’énergie et la matière noires. L’état actuel des connaissances sur l’origine de l’univers et les nouvelles pistes des théoriciens sont présentés dans ce dossier.

  
DossiersAu-delà du Big Bang : balade en cosmologie
 

La quasi-totalité de la masse visible de l'univers se trouve sous forme d'étoiles. Les planètes, aussi nombreuses soient-elles, sont légères et ne sont d'ailleurs pas facilement visibles hors du Système solaire. Or, curieusement, on sait aujourd'hui que les étoiles contribuent très peu à la masse totale de l'univers. L'essentiel est donc invisible ! C'est ce qu'on nomme le mystère de la « matière noire ».

© NASA/ESA/Richard Massey, Wikimedia commons, DP

Il existe de la matière noire standard (les physiciens disent « baryonique »), qui est constituée, comme on peut l'attendre, des particules élémentaires connues. Cette matière noire standard est environ dix fois plus abondante que les étoiles ! Elle demeure toujours en partie mystérieuse, même si l'on croit aujourd'hui, après avoir longtemps pensé qu'il s'agissait d'étoiles « ratées », qu'elle est composée de gaz essentiellement réparti entre les amas. Mais, plus étonnamment encore, il existe aussi de la matière noire non standard (qu'on nomme donc « non baryonique »). Celle-ci n'est pas constituée des entités élémentaires identifiées dans le cadre de la physique des particules ! Elle est donc un double paradoxe : une énigme de cosmologie, mais aussi une énigme de physique de l'infiniment petit. Et cette matière noire non standard est encore cinq fois plus abondante que la matière noire standard, elle-même dix fois plus abondante que la matière visible ! L'essentiel de la masse de l'univers, environ 50 fois plus importante que la totalité de la masse visible, est donc de nature inconnue.

Devant cette étrange situation, deux solutions émergent. La première consiste à supposer qu'il existe vraiment de la matière noire disséminée dans l'univers, et nettement plus abondante que tout ce qui est visible. La seconde consiste à remettre en cause nos théories. En effet, l'existence de cette matière sombre est déduite de l'inadéquation entre des mesures et un modèle. Si le modèle est faux, il devient envisageable qu'il n'existe en fait aucun constituant supplémentaire dans le cosmos. C'est une possibilité qui devait être envisagée, mais les mesures récentes tendent à la réfuter. La matière noire est bien présente.

La matière noire est pour le moment un élément indispensable pour comprendre l'apparition des galaxies et leur structuration en amas et superamas. Ici, une simulation de cette structuration avec des amas de galaxies se rassemblant en filaments. © The Millennium Simulation

Mais cela ne nous dit pas ce qu'elle est ! Il faut une solution venant de la physique des particules. Récemment, la découverte du boson de Higgs au LHC a achevé l'unification des forces électromagnétique et nucléaire faible. C'est un immense succès : la prédiction théorique a été vérifiée expérimentalement 45 années plus tard. Mais l'unification avec la force nucléaire forte n'est toujours pas effectuée, et celle avec la gravitation moins encore ! La meilleure idée, pour compléter le modèle standard actuel, se fonde sur le recours à une nouvelle symétrie. Une symétrie si remarquable qu'elle fut baptisée supersymétrie. Celle-ci présente de nombreux avantages théoriques. Elle est la seule symétrie qu'on puisse ajouter au modèle standard tout en respectant certaines conditions mathématiques élémentaires. De plus, elle permet à l'intensité des forces de converger vers une même valeur, ce qui est nécessaire pour les unifier. Enfin, elle conduit à une masse du boson de Higgs compatible avec les mesures. Sans même mentionner qu'au niveau conceptuel, elle jette un pont entre le monde des « forces » et le monde des « particules », qui sont habituellement considérés comme disjoints du point de vue mathématique. C'est une belle théorie. Le point remarquable vient de ce que la supersymétrie pourrait, justement, permettre d'expliquer la matière noire. Elle prédit en effet l'existence d'une particule lourde, stable et interagissant peu avec la matière environnante. Exactement les caractéristiques requises pour les entités qui doivent composer la matière invisible ! Mais pour le moment, aucune trace de supersymétrie n'a été observée... Le problème demeure donc, et la matière noire garde tout son mystère...

Mais un autre problème, que certains jugent plus crucial encore, défie la cosmologie moderne : la décélération de l'univers est négative ! Autrement dit, l'univers accélère ! Il ne se contente pas de s'agrandir, il s'agrandit, en réalité, de plus en plus vite... Comment est-ce possible, alors que la gravitation attire et doit donc freiner ?

L’estimation la part relative de l'énergie noire (dark energy) dans l’univers varie, mais on donne généralement une valeur légèrement supérieure à 70 %. La matière normale ne compterait que pour 4 % environ dans le contenu énergétique de l'univers observable, le reste étant de la matière noire (dark matter). © Nasa, CXC, M. Weiss

Il s'agit sans aucun doute de l'un des résultats les plus importants de ces dernières décennies. Non seulement pour la cosmologie, mais aussi pour la physique en général. On peut évaluer l'énergie associée à ce processus d'accélération. Elle s'avère être presque trois fois plus importante encore que celle de la matière noire ! On la nomme « énergie noire ». Un terme qui masque pudiquement notre incompréhension du phénomène. Quelque chose de mystérieux qui constitue l'essentiel de contenu de l'univers pousse l'espace à s'étendre de plus en plus vite. On peut raisonnablement y voir les traces d'une nouvelle force. Inconnue et répulsive à grande distance. Une force qui ne ressemble à rien d'identifié à l'heure actuelle. Une cinquième force peut-être ? Autrement dit, une quintessence. L'enjeu est si considérable, et la situation si étrange, que de très nombreux physiciens théoriciens travaillent aujourd'hui sur cette question. Il n'est pas exagéré de dire que trois ou quatre articles, en moyenne, sont publiés chaque jour sur ce sujet, et qu'il existe sans doute plusieurs centaines de modèles différents pour tenter d'expliquer le phénomène. En un certain sens, la relativité générale peut sembler fournir une explication simple à cette situation. Les équations d'Einstein comportent en effet un terme, une constante cosmologique, qui peut engendrer une telle accélération. Il existe donc une solution plus naturelle et plus immédiate que pour la matière noire. Néanmoins, la mécanique quantique impose aussi ses lois, et n'autorise pas la valeur effectivement observée.