Qu'est-ce que l'énergie noire et pourquoi domine-t-elle l'univers ?

Le plus grand mystère de la physique

Quelque chose pousse l'univers à se séparer, et c'est en train de gagner. Environ 70 % de toute l'énergie et de la matière du cosmos sont constitués d'une force mystérieuse appelée énergie noire. Elle ne peut être ni vue, ni touchée, ni mesurée directement, mais ses empreintes sont partout. Sans elle, les étoiles, les galaxies et les vides que les scientifiques observent n'auraient aucun sens.

Malgré des décennies de recherche, les physiciens ne peuvent toujours pas dire ce qu'est réellement l'énergie noire. Ce qu'ils savent, c'est qu'elle est à l'origine de l'expansion accélérée de l'univers, une découverte si surprenante qu'elle a valu le prix Nobel de physique en 2011.

Comment l'énergie noire a été découverte

L'histoire commence en 1998, lorsque deux équipes indépendantes d'astronomes ont étudié des supernovae de type Ia lointaines, des explosions stellaires dont la luminosité est suffisamment prévisible pour servir d'étalons cosmiques. Les équipes s'attendaient à constater que l'expansion de l'univers ralentissait, freinée par la gravité. Au lieu de cela, les supernovae sont apparues plus faibles que prévu, ce qui signifie qu'elles étaient plus éloignées que prévu. L'univers ne se contentait pas de s'étendre, il accélérait.

Les astronomes Adam Riess, Saul Perlmutter et Brian Schmidt ont dirigé les travaux. La même année, l'astrophysicien Michael Turner de l'université de Chicago a inventé le terme "énergie noire" lors d'une réunion de physique en Australie. Le nom est resté, même s'il décrit quelque chose que les scientifiques comprennent à peine.

Ce que les scientifiques pensent que cela pourrait être

Plusieurs théories concurrentes tentent d'expliquer l'énergie noire :

• Énergie du vide (constante cosmologique) — L'espace vide lui-même transporte une quantité fixe d'énergie, un concept qu'Albert Einstein avait initialement proposé. Cependant, la théorie quantique prédit une valeur plus de 100 ordres de grandeur supérieure à ce qui est observé, créant l'un des plus grands embarras de la physique.
• Quintessence — Un champ d'énergie dynamique qui imprègne l'univers et peut changer progressivement au fil du temps, contrairement à une constante fixe.
• Gravité modifiée — Peut-être que la relativité générale d'Einstein est incomplète, et que l'accélération apparente découle d'un défaut de la théorie plutôt que d'une nouvelle force.

"Nous ne connaissons pas sa nature fondamentale", a déclaré Turner. "Est-ce l'énergie quantique de l'espace vide ? Est-ce un champ scalaire ? Est-ce autre chose dont nous n'avons même pas rêvé ?"

Comment les scientifiques recherchent des réponses

Comme l'énergie noire ne peut être observée directement, les chercheurs étudient ses effets sur la structure à grande échelle de l'univers. Les principales approches comprennent :

• Relevés de supernovae — Mesurer la luminosité et la distance des étoiles en explosion pour suivre l'évolution du taux d'expansion sur des milliards d'années.
• Cartographie des galaxies — Cartographier les positions de millions de galaxies pour détecter des motifs, appelés oscillations acoustiques baryoniques, imprimés dans l'univers primitif. Ces motifs agissent comme une règle cosmique.
• Lentille gravitationnelle — Étudier comment les structures massives courbent la lumière des galaxies lointaines, révélant la distribution de la matière et la géométrie de l'espace.

Le Dark Energy Spectroscopic Instrument (DESI), monté sur un télescope en Arizona, a récemment achevé son relevé de cinq ans, cartographiant plus de 47 millions de galaxies et de quasars, soit six fois plus d'objets que tous les relevés précédents combinés. Ses premiers résultats laissent entrevoir que l'énergie noire pourrait ne pas être constante mais pourrait évoluer avec le temps, une découverte qui remodèlerait la cosmologie si elle était confirmée.

Les projets à venir, tels que le télescope spatial Nancy Grace Roman de la NASA et l'observatoire Vera C. Rubin au sol, pousseront les observations plus loin, cartographiant des milliards de galaxies supplémentaires pour resserrer les contraintes sur le comportement de l'énergie noire.

Pourquoi c'est important

L'énergie noire ne se contente pas de remplir les manuels scolaires, elle détermine le destin de l'univers. Si elle reste constante, le cosmos se développera à jamais, les galaxies s'éloigneront les unes des autres et l'univers deviendra froid et sombre au cours de billions d'années. Si l'énergie noire se renforce, elle pourrait finir par déchirer les galaxies, les étoiles et même les atomes dans un scénario appelé le "Big Rip". Si elle s'affaiblit, la gravité pourrait un jour tout ramener ensemble.

Comprendre l'énergie noire ne consiste donc pas seulement à résoudre une énigme. Il s'agit d'apprendre comment l'univers a commencé, comment il évolue et comment il se termine. Pour l'instant, la réponse à la plus grande question de la physique reste : nous ne savons pas encore.