L'énergie sombre

Ken Tapping, le 3 juin 2015

Dans le ciel cette semaine…

  • Deux planètes dominent le ciel à l'ouest après le coucher du Soleil : Vénus, la plus basse et la plus brillante, et Jupiter.
  • Saturne rase l'horizon au sud-ouest.
  • La Lune sera pleine le 2 juin.

Imaginez que vous lanciez une balle tout droit dans les airs à 150 km/h. Au bout de quelques secondes, la balle atteint l'apex de sa trajectoire – à environ 88 mètres au-dessus du sol – et se met à redescendre. C'est ce qui devrait se passer en théorie. Imaginez plutôt que la balle au lieu de retomber continue d'accélérer et disparaisse au-delà des nuages. C'est la surprise qu'ont eue les astronomes en découvrant que loin de ralentir, l'expansion de l'Univers se poursuit, et de plus en plus rapidement.

Il y a un peu moins de 14 milliards d'années, toute la matière constituant l'Univers était concentrée en un point infiniment petit, dense et brûlant. Puis, à un moment que l'on appelle souvent le Big Bang, l'Univers s'est mis à se dilater. En prenant de l'expansion, il se refroidissait et devenait de moins en moins dense, permettant la formation des étoiles et des galaxies. Comme la force gravitationnelle qu'exerce la matière sur elle-même oppose une résistance à l'expansion, celle-ci devrait en principe ralentir.

Jusqu'à tout récemment, l'une des grandes questions qui mobilisait la communauté astronomique était de savoir si l'Univers allait se dilater à jamais ou si un jour, il allait cesser et commencer à se contracter, le Big Bang faisant place au Big Crunch. L'Univers renferme-t-il suffisamment de matière pour que la force gravitationnelle freine son expansion? On a donc cherché à calculer la masse de l'Univers représentée par les étoiles, les galaxies, les nuages de gaz et tous les objets qui s'y trouvent. Résultat : il n'y a pas suffisamment de matière dans l'Univers pour arrêter l'expansion, seulement la ralentir. Or des mesures récentes ont démenti la logique suivie et infirmé la conclusion à laquelle elle avait débouché. La masse de l'Univers est beaucoup plus grande que l'on ne le croyait, mais la matière est surtout composée de matière noire, sujet de notre précédent bulletin. Il s'avère toutefois qu'au lieu de ralentir, l'expansion de l'Univers s'accélère. Selon les lois de la physique ordinaire, les objets en mouvement ne s'accélèrent que si une force s'exerce sur eux. Dans l'Univers, une force pousse la matière à se contracter : la gravité. Pour que l'expansion se poursuive, il faut qu'une force s'exerce dans le sens contraire. Quelle est donc cette force?

Le concept de la « matière noire » a été introduit pour rendre la théorie conforme aux observations scientifiques. Il s'agit par contre d'un compromis, c'est pourquoi beaucoup d'efforts sont déployés pour valider de manière objective l'existence de la matière noire. Suivant la même démarche, on a émis l'hypothèse que l'expansion de l'Univers serait causée par une force baptisée « énergie sombre ». Cette force est une béquille utile, mais de quoi s'agit-il exactement? Plusieurs théories sont actuellement mises à l'épreuve à la lumière d'autres observations, mais la plus fascinante est celle avancée par Albert Einstein.

Lorsqu'Einstein essayait de comprendre la nature de l'Univers, ses calculs lui indiquaient qu'il était soit en expansion, soit en contraction; or, on croyait à l'époque que l'Univers était statique. Comme un Univers statique commencerait immédiatement à s'effondrer sur lui-même sous sa propre gravité, Einstein a introduit une force – la « constante cosmologique » –, et lui a donné une valeur suffisante pour empêcher l'effondrement. La découverte que l'Univers était en expansion a toutefois rendu inutile la constante utilisée par Einstein.

Dans les années 1990, on a découvert que l'Univers était non seulement en expansion, mais que cette expansion s'accélérait. On a alors proposé de reprendre la force hypothétique d'Einstein, mais au lieu de lui donner la valeur requise pour compenser la force gravitationnelle, on l'a rendue beaucoup plus puissante pour expliquer l'expansion continue. Heureusement, nous savons aujourd'hui comment valider de tels concepts et procédons à des expériences objectives pour voir si cette force existe réellement. Si tel est le cas, nous allons la mesurer pour voir si elle est suffisamment forte pour expliquer l'expansion constatée. Autrement, nous allons devoir trouver une autre façon d'expliquer ce phénomène.

Ken Tapping est astronome à l'Observatoire de radio-astrophysique du Conseil national de recherches du Canada, à Penticton (C.-B.) V2A 6J9.

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