Pourquoi l’univers se déchire-t-il ? Une nouvelle étude montre que l’énergie noire pourrait être plus compliquée que nous le pensions

De quoi est fait l’univers? Cette question préoccupe les astronomes depuis des centaines d’années.

Au cours du dernier quart de siècle, les scientifiques ont cru que les choses « normales » comme les atomes et les molécules qui composent vous, moi, la Terre et presque tout ce que nous pouvons voir ne représentent que 5 % de l’univers. Un autre 25 % est constitué de « matière noire », une substance inconnue que nous ne pouvons pas voir mais que nous pouvons détecter grâce à la manière dont elle affecte la matière normale via la gravité.

Les 70 % restants du cosmos sont constitués d’« énergie noire ». Découverte en 1998, il s’agit d’une forme d’énergie inconnue qui serait à l’origine de l’expansion de l’univers à un rythme toujours croissant.

Dans une nouvelle étude sera bientôt publié dans le Journal astronomique, nous avons mesuré les propriétés de l’énergie noire de manière plus détaillée que jamais. Nos résultats montrent qu’il peut s’agir d’une hypothétique énergie du vide proposée pour la première fois par Einstein, ou bien de quelque chose d’étrange et de plus compliqué qui évolue avec le temps.

Qu’est-ce que l’énergie noire ?

Lorsqu’Einstein développa la théorie de la relativité générale il y a plus d’un siècle, il réalisa que ses équations montraient que l’univers devait soit s’étendre, soit se rétrécir. Cela lui semblait faux, alors il ajouta une « constante cosmologique » – une sorte d’énergie inhérente à l’espace vide – pour équilibrer la force de gravité et maintenir l’univers statique.

Plus tard, lorsque les travaux d’Henrietta Swan Leavitt et d’Edwin Hubble montrèrent que l’univers était effectivement en expansion, Einstein supprima la constante cosmologique, la qualifiant de « sa plus grande erreur ».

Cependant, en 1998, deux équipes de chercheurs ont découvert que l’expansion de l’univers s’accélérait. Cela implique qu’après tout quelque chose d’assez similaire à la constante cosmologique d’Einstein pourrait exister – quelque chose que nous appelons aujourd’hui l’énergie noire.

Depuis ces premières mesures, nous utilisons des supernovae et d’autres sondes pour mesurer la nature de l’énergie noire. Jusqu’à présent, ces résultats ont montré que la densité de l’énergie noire dans l’univers semble constante.

Cela signifie que la force de l’énergie noire reste la même, même à mesure que l’univers grandit : elle ne semble pas se disperser à mesure que l’univers grandit. Nous mesurons cela avec un nombre appelé w. Ensemble d’effets de la constante cosmologique d’Einstein w à –1, et des observations antérieures ont suggéré que c’était à peu près correct.

Des étoiles explosives comme bâtons de mesure cosmiques

Comment pouvons-nous mesurer ce qu’il y a dans l’univers et à quelle vitesse il croît ? Nous n’avons pas d’énormes rubans à mesurer ni d’échelles géantes, nous utilisons donc des « bougies standards » : des objets dans l’espace dont nous connaissons la luminosité.

Imaginez qu’il fait nuit et que vous vous trouvez sur une longue route avec quelques lampadaires. Ces pôles ont tous la même ampoule, mais les pôles les plus éloignés sont plus faibles que les pôles proches.

En effet, la lumière diminue proportionnellement à la distance. Si nous connaissons la puissance de l’ampoule et pouvons mesurer la luminosité de l’ampoule, nous pouvons calculer la distance jusqu’au poteau d’éclairage.

Pour les astronomes, une ampoule cosmique courante est une sorte d’étoile explosive appelée supernova de type Ia. Ce sont des étoiles naines blanches qui aspirent souvent la matière d’une étoile voisine et grandissent jusqu’à atteindre 1,44 fois la masse de notre Soleil, moment auquel elles explosent. En mesurant la rapidité avec laquelle l’explosion s’estompe, nous pouvons déterminer sa luminosité et donc sa distance.

L’enquête sur l’énergie noire

Le Enquête sur l’énergie noire est le plus grand effort jamais réalisé pour mesurer l’énergie noire. Plus de 400 scientifiques répartis sur plusieurs continents travaillent ensemble depuis près d’une décennie pour observer à plusieurs reprises des parties du ciel austral.

Des observations répétées nous permettent de rechercher des changements, comme de nouvelles étoiles explosives. Plus vous observez souvent, mieux vous pouvez mesurer ces changements, et plus la zone que vous recherchez est grande, plus vous pouvez trouver de supernovae.

Les premiers résultats indiquant l’existence de l’énergie sombre n’ont utilisé que quelques dizaines de supernovae. Les derniers résultats du Dark Energy Survey utilisent environ 1 500 étoiles explosives, ce qui donne une bien plus grande précision.

À l’aide d’une caméra spécialement conçue et installée sur le télescope Blanco de 4 mètres de l’Observatoire interaméricain Cerro-Tololo au Chili, l’enquête a découvert des milliers de supernovae de différents types. Pour déterminer lesquels étaient de type Ia (celui dont nous avons besoin pour mesurer les distances), nous avons utilisé le télescope anglo-australien de 4 mètres situé à l’observatoire de Siding Spring en Nouvelle-Galles du Sud.

Le télescope Anglo Australian a pris des mesures qui ont brisé les couleurs de la lumière des supernovae. Cela nous permet de voir une « empreinte digitale » des éléments individuels de l’explosion.

Les supernovae de type Ia présentent des caractéristiques uniques, comme ne contenir ni hydrogène ni silicium. Et avec suffisamment de supernovae, l’apprentissage automatique nous a permis de classer efficacement des milliers de supernovae.

Plus compliqué que la constante cosmologique

Enfin, après plus d’une décennie de travail et d’étude d’environ 1 500 supernovae de type Ia, le Dark Energy Survey a produit une nouvelle meilleure mesure de w. Nous avons trouvé w = –0,80 ± 0,18, donc c’est quelque part entre –0,62 et –0,98.

C’est un résultat très intéressant. Il est proche de –1, mais pas exactement là. Pour être la constante cosmologique, ou l’énergie de l’espace vide, il faudrait qu’elle soit exactement –1.

Où cela nous mène-t-il ? Avec l’idée qu’un modèle plus complexe d’énergie sombre pourrait être nécessaire, peut-être dans lequel cette énergie mystérieuse a changé au cours de la vie de l’univers.

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