L’énergie noire

Afin de pouvoir expliquer les nouveaux phénomènes observés (vitesses des galaxies, des amas et effet de lentille gravitationnelle) par la théorie actuelle de la gravitation, les scientifiques ont donc abouti à l’hypothèse d’une matière noire, inobservable aujourd’hui. Au moment où les physiciens demeurent incapables de caractériser cette masse manquante, deux nouvelles séries de mesures vinrent une fois de plus bousculer le monde de l’astrophysique.

Tout d’abord, les missions Boomerang et Maxima.

Boomerang est une mission qui, grâce à une nouvelle technologie (un vol en ballon stratographique), étudie les fluctuations du rayonnement cosmique en détectant les micro-ondes, ou les ondes radio. Ces expériences ont lieu au milieu de l’antarctique et servent aux études théoriques réalisées par des universités américaines telles Caltech, Santa Barbara, Berkeley, l’université de Toronto… et européennes comme le CERN, le QMWC de Londres ou encore l’Université de Rome… Le support logistique ainsi que l’organisation des vols et des mesures sont réalisés par la NASA et par l’ASA (Antarctic Support Associates). Ces principaux bailleurs de fonds sont, pour l’Amérique : la NASA, la NSF (the National Science Foundation, une agence indépendante du gouvernement américain créée en 1950 qui investit environ 4795 millions de dollars dans la science par an) et, pour l’Europe : l’agence spatiale italienne, l’université de Rome...

Maxima fait partie de la NSF et travaille en collaboration avec l’université de Berkeley, du Minnesota, Caltech, l’université de Rome et l’IROE-CNR de Florence. Sa mission est quasiment la même que celle de Boomerang.

Les expériences réalisées par ces deux collaborations ont abouti à la mesure du rapport densité de masse de l’univers sur la densité critique (correspondant à la limite d’expansion de l’univers). Ils ont trouvé une valeur de un. Cela implique le résultat fondamental suivant : l’univers est plat. Ce qui était prédit par la théorie de l’inflation qui suppose que l’univers subit une hyperxpansion au début de son histoire, ce qui permet entre autre d’expliquer pourquoi l’énergie se répartit uniformément dans l’espace.

Malheureusement, la matière noire jusqu’ici supposée être composée soit de baryons, soit de nouvelles particules exotiques ne permet d’obtenir seulement un rapport de moins de 0,5, ce qui est nettement insuffisant en regard de ces nouvelles mesures.

En 1998 une nouvelle série d’expériences eurent lieu. Celles-ci se basent sur l’étude du rayonnement de supernovae Ia afin d’en déduire des propriétés sur la géométrie de l’univers. C’est l’objet du Supernovae Cosmology Project ou du High-Z Supernova Search. Ces mesures aboutirent une nouvelle fois à un résultat surprenant : l’univers est en expansion accélérée.

Deux tiers de la masse manquante et l’accélération de l’expansion demeuraient donc inexplicables. Les scientifiques, et notamment Paul Steinhardt et Robert R Caldwell émirent l’hypothèse de l’énergie noire, une nouvelle substance qui ne serait ni de la matière ordinaire, ni du rayonnement…

Le premier est chercheur à l’université de Princeton. Il s’intéresse aux problèmes de physique théorique en cosmologie, astrophysique, physique des particules, et physique de la matière condensée. Ces thèses sont connues au niveau mondial, en partie grâce à de nombreuses publications dans les périodiques spécialisés américains Nature, Science.

Le second est, quant à lui, chercheur au Darmouth College à Hnover dans le New Hampshire. Il obtint un Ph.D. en physique en 1992 à l’université du Wisconsin. Il est membre de l’American Physical Society, a reçu une récompense de l’institut Isaac Newton de Cambridge. Ses travaux portent sut l’astrophysique, les débuts de l’univers, la quintessence…En collaboration avec son aîné Paul Steinhardt ou pas il écrit souvent dans Nature ou Science.

Ainsi, avec cette nouvelle substance, les problèmes sont résolus.

En effet, n’étant pas de la matière dite classique, elle ne forme pas d’édifices telles les étoiles sous l’influence de la gravitation. Ceci nécessite de poser l’hypothèse que le ratio énergie noire – matière devait être plus faible avant pour expliquer la formation des étoiles et des galaxies. On explique cela en considérant que l’énergie noire est telle que lors de l’expansion de l’univers, contrairement à la densité de matière qui diminue, la densité d’énergie noire reste constante ou presque. Une telle substance incompressible, selon les équations d’Einstein doit s’auto-repousser sous l’effet de la gravitation. Ceci vient de plus confirmer les expériences sur l’accélération de l’univers.

Ainsi, une théorie cosmologique basée sur le big bang, sur la théorie inflationniste de l’univers, sur le fait que l’univers se compose d’un tiers de matière et de deux tiers d’énergie noire permet d’expliquer toutes les observations réalisées à l’heure actuelle.

Cependant, on pourrait être surpris de considérer une théorie reposant sur l’existence d’une substance mystérieuse et inconnue. Il convient donc de la caractériser.

Tout d’abord, sa pression doit être négative afin d’expliquer l’accélération de l’expansion de l’univers. Ceci peut paraître exotique mais est tout a fait envisageable par les physiciens. Celle-ci permettrait en plus d’expliquer l’homogénéité de la répartition de l’énergie noire dans l’espace.

Un premier bon candidat est l’énergie du vide. Einstein l’introduit en 1917 afin d’expliquer sa thèse (fausse) d’un univers statique. En effet, il supposa l’existence d’une constante cosmologique afin d’obtenir une pression négative concordante avec sa théorie.

Steinhardt pense aussi à interpréter l’énergie noire comme un champ quantique possédant une longueur d’onde de la dimension de l’univers, appelé quintessence.

Enfin, la quintessence devrait laisser sa trace dans l’univers sous différentes formes, ce qui donne la possibilité aux expérimentateurs pour la détecter et tenter de la caractériser.

L’accélération de l’expansion de l’univers dépend du rapport de la pression de l’énergie noire sur sa densité d’énergie. La quintessence et l’énergie du vide ont des valeurs différentes de ce ratio. Ainsi, des mesures plus précises du rayonnement des supernovae devraient permettre de choisir entre ces deux hypothèses.

De plus, la quintessence doit avoir un effet sur le rayonnement cosmique équivalent à un corps noir à 2,7K. Les observations de ces micro-ondes pourraient permettre de détecter ces effets.

Enfin, dans de nombreux cas, la quintessence doit interagir avec la matière, affectant ainsi la valeur des forces entre les particules. On se trouve alors en mesure, grâce à des observations astrophysiques de déterminer si l’énergie du vide a évolué au cours du temps.

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