elle pourrait varier dans le temps et, pourquoi pas, recontracter l’Univers

0



Einstein nous a appris que l’énergie courbe l’espace-temps, lequel peut en réponse devenir dynamique de sorte que l’espace peut se retrouver en expansion ou en contraction, comme le montrent les calculs avec les équations de la théorie de la relativité générale. La pression P est équivalente à une densité d’énergie ρ et c’est pourquoi un terme de pression dans ces équations peut engendrer là aussi une expansion ou une contraction.

Il existe une équation reliant la pression et la densité d’énergie du cosmos observable, densité d’énergie qui peut résulter de la présence de matière ordinaire ou de matière noire et bien sûr les deux, et d’une autre composante comme la fameuse constante cosmologique d’Einstein. On parle d’une équation d’état et elle s’écrit avec un paramètre w tel que P = wρ.


Des explications en trois vidéos sur l’énergie noire. Voici la vidéo I. Pour obtenir une traduction en français assez fidèle, cliquez sur le rectangle blanc en bas à droite. Les sous-titres en anglais devraient alors apparaître. Cliquez ensuite sur l’écrou à droite du rectangle, puis sur « Sous-titres » et enfin sur « Traduire automatiquement ». Choisissez « Français ». © PBS Space Time

Une accélération de l’expansion qui n’est pas causée par l’énergie noire ?

Nous savons aussi depuis la fin des années 1990 que l’expansion du cosmos observable s’accélère depuis environ 5 milliards d’années. Un prix Nobel a été décerné aux découvreurs de cette accélération tel Saul Perlmutter. Il faut rappeler que ce prix récompense la découverte de l’accélération et pas celle de ce qui pourrait la causer, à savoir généralement, mais pas obligatoirement comme le pense Thomas Buchert et qui fait débat, ce que l’on appelle l’énergie noire dont il existe plusieurs interprétations possibles. Et justement, selon les interprétations, w n’a pas la même valeur.

On pourrait imaginer une énergie noire qui évolue dans le temps et qui au lieu d’accélérer l’expansion pour l’éternité, conduisant les galaxies à devenir si éloignées les unes des autres qu’un observateur dans l’une d’entre elles ne pourra plus les voir, finira par avoir un comportement inverse et changera l’expansion en contraction, peut-être pour produire finalement un nouveau Big Bang après un Big Crunch.

On comprend bien qu’il est du plus haut intérêt pour connaître le destin de l’Univers et donc le nôtre, nous qui sommes des poussières d’étoiles comme aimait à le dire le regretté Hubert Reeves, de déterminer la valeur du paramètre w. C’est pour tenter de le mesurer avec plus de précision qu’a été lancé il y a des années le programme d’observation appelé le Dark Energy Survey (DES).


Voici la vidéo II. Pour obtenir une traduction en français assez fidèle, cliquez sur le rectangle blanc en bas à droite. Les sous-titres en anglais devraient alors apparaître. Cliquez ensuite sur l’écrou à droite du rectangle, puis sur « Sous-titres » et enfin sur « Traduire automatiquement ». Choisissez « Français ». © PBS Space Time

C’est une collaboration internationale comprenant plus de 400 astrophysiciens, astronomes et cosmologues de plus de 25 institutions dirigées par des membres du Fermi National Accelerator Laboratory du département américain de l’Énergie. Comme l’explique un communiqué du Fermilab, le DES a cartographié une zone représentant près d’un huitième du ciel entier à l’aide de la Dark Energy Camera, un appareil photo numérique de 570 mégapixels monté sur le télescope Víctor M. Blanco de l’observatoire interaméricain Cerro Tololo. Les scientifiques du DES ont collecté des données pendant 758 nuits sur six ans jusqu’en 2019, après quoi il a fallu les utiliser.


Voici la vidéo III. Pour obtenir une traduction en français assez fidèle, cliquez sur le rectangle blanc en bas à droite. Les sous-titres en anglais devraient alors apparaître. Cliquez ensuite sur l’écrou à droite du rectangle, puis sur « Sous-titres » et enfin sur « Traduire automatiquement ». Choisissez « Français ». © PBS Space Time

Un Univers qui finira par un Big Crunch, un Big Rip ?

Le bilan des analyses a été publié dans The Astrophysical Journal – une version en accès libre de l’article existe sur arXiv – et il est commenté en ces termes par Tamara Davis, professeur à l’université du Queensland en Australie et co-organisatrice du DES dans le communiqué du Fermilab : « Je tremblais. C’était vraiment un moment excitant w ne vaut pas exactement -1, mais en est suffisamment proche pour être cohérent avec -1. Un modèle plus complexe pourrait être nécessaire. L’énergie sombre pourrait en effet varier avec le temps. »

Ce résultat, c’est aux erreurs possibles w = –0,80 +/- 0,18.

 

Pour mémoire, si w vaut exactement -1, alors l’accélération est causée par la fameuse constante cosmologique d’Einstein qui ne varie pas dans l’espace et dans le temps et que l’on peut considérer soit comme une nouvelle constante de la théorie de la gravitation, soit comme une manifestation des fluctuations du vide quantique de tous les champs (de matière, électromagnétique, etc.).

Si -1 < w < -1/3, alors l’énergie noire peut être un champ scalaire dit de quintessence, cousin de celui du Boson de Brout-Englert-Higgs et variable dans le temps.

Si, en gros, -2< w < -1, alors l’énergie noire est produite par un autre type de champ scalaire et on est dans le scénario du « grand déchirement » (Big Rip, en anglais). Dans ce scénario, toutes les structures, des amas de galaxies jusqu’aux noyaux des atomes, seront déchiquetées par une expansion de l’espace de plus en plus forte causée par une forme physique exotique, celle de l’énergie fantôme dont la densité augmente avec l’expansion.

Un destin de l’Univers déterminable en étudiant supernovae et rayonnement fossile ?

Les résultats du DES seuls sont favorables à un scénario de quintessence, ouvrant la voie à un possible Big Crunch mais n’invalidant pas pour autant un scénario d’expansion éternelle. Toutefois, en combinant les données du DES avec les données du rayonnement fossile fournies par le satellite Planck, w pourrait fort bien valoir -1 en fonction des barres d’erreurs comme on dit, de sorte qu’il est trop tôt encore pour avoir une conclusion ferme sur la valeur de w, qui ne semble tout de même pas en l’état indiquer un futur Big Rip.


Le DES aborde de grandes questions sur notre Univers : de quoi est-il fait ? Comment la matière est-elle distribuée ? Comment l’Univers a-t-il évolué ? Et quels rôles jouent la matière noire et l’énergie noire ? Pour résoudre ces énigmes, l’expérience utilise un puissant appareil photo de 570 mégapixels pour photographier des galaxies proches de chez nous et à des milliards d’années-lumière. L’analyse des données des trois premières années a abouti aux plus grandes cartes jamais réalisées montrant la répartition et la forme des galaxies dans notre Univers – et a fourni un test fantastique pour les meilleures prédictions des scientifiques. Pour obtenir une traduction en français assez fidèle, cliquez sur le rectangle blanc en bas à droite. Les sous-titres en anglais devraient alors apparaître. Cliquez ensuite sur l’écrou à droite du rectangle, puis sur « Sous-titres » et enfin sur « Traduire automatiquement ». Choisissez « Français ». © Fermilab

Quelques précisions pour terminer.

Le DES utilisait la même méthode que pour la découverte initiale de l’expansion du cosmos observable, l’étude des supernovae de type SN Ia.

On pense qu’il s’agit de naines blanches accrétant à l’origine de la matière d’une étoile compagne brûlant encore du carburant nucléaire ou encore de collision de deux naines blanches. Dans les deux cas, on a une explosion thermonucléaire à partir d’une masse d’environ 1,4 (la limite de Chandrasekhar) / 3 masses solaires, de sorte que la puissance de l’explosion de la supernova est relativement constante et donc toujours d’environ la puissance lumineuse d’une galaxie comme la Voie lactée. Ce type de « chandelle standard » permet donc de déterminer des distances, étant d’autant moins lumineuses qu’elles sont loin. On peut aussi mesurer leur décalage spectral vers le rouge produit par l’expansion de l’espace.

La courbe reliant luminosité apparente, distance et décalage spectral est sensible à l’équation d’état de l’énergie noire et donc à w et c’est donc en mesurant les caractéristiques de 1 499 supernovae SN Ia avec des données de haute qualité – ce qui en fait l’échantillon de supernovae le plus grand et le plus profond jamais collecté par un seul télescope – que les membres du DES sont arrivés aux résultats aujourd’hui publiés. Pour mémoire encore, en 1998, les astronomes lauréats du prix Nobel de physique 2011 avaient utilisé seulement 52 supernovae.



Source link

Laisser un commentaire

Votre adresse e-mail ne sera pas publiée.