Qu'est-ce que l'énergie noire et pourquoi l'expansion de l'espace s'accélère-t-elle ?

La force qui régit le cosmos

Tout ce que vous pouvez voir – chaque étoile, planète et galaxie – représente moins de 5 % de l'univers. 27 % supplémentaires sont constitués de matière noire, une substance invisible qui maintient les galaxies ensemble. Les 68 % restants sont quelque chose d'encore plus étrange : l'énergie noire, une influence mystérieuse qui repousse l'univers à un rythme toujours plus rapide.

Contrairement à la gravité, qui attire les objets les uns vers les autres, l'énergie noire agit comme une sorte d'anti-gravité à l'échelle cosmique. Elle ne s'agglomère pas, ne brille pas et ne peut pas être capturée dans une bouteille. Pourtant, elle régit le destin ultime de tout ce qui existe.

Comment l'énergie noire a été découverte

En 1998, deux équipes indépendantes d'astronomes – le Supernova Cosmology Project et le High-z Supernova Search Team – étudiaient une classe spéciale d'étoiles en explosion appelées supernovae de type Ia. Ces explosions stellaires atteignent toutes à peu près la même luminosité maximale, ce qui les rend utiles comme « chandelles standard » pour mesurer les distances cosmiques.

Les deux équipes s'attendaient à constater que l'expansion de l'univers ralentissait sous l'effet de la gravité. Au lieu de cela, elles ont découvert le contraire : les supernovae lointaines étaient plus faibles que prévu, ce qui signifie que les galaxies qui les hébergeaient étaient plus éloignées que prévu. L'univers ne se contentait pas de s'étendre, il accélérait. Cette découverte a valu à Saul Perlmutter, Brian Schmidt et Adam Riess le prix Nobel de physique 2011.

Théories principales : constante ou changeante ?

Les scientifiques ont deux explications principales pour l'énergie noire, et ils sont en désaccord sur un point crucial.

La constante cosmologique

L'idée la plus simple remonte à Albert Einstein. En 1917, il a ajouté un terme appelé constante cosmologique (Λ) à ses équations de la relativité générale pour maintenir l'univers statique. Il l'a ensuite qualifiée de sa « plus grande bévue » après qu'Edwin Hubble ait montré que l'univers est en expansion. Mais la découverte de 1998 a ramené Λ : elle décrit parfaitement une densité d'énergie fixe tissée dans le tissu même de l'espace. Au fur et à mesure que l'espace se dilate, davantage de cette énergie du vide apparaît, alimentant continuellement l'accélération.

L'énergie noire évolutive

Une idée concurrente propose que l'énergie noire ne soit pas constante mais qu'elle évolue avec le temps – un concept que les physiciens appellent la quintessence. Dans ce modèle, un champ dynamique imprègne l'espace, et sa force peut augmenter ou diminuer avec l'âge de l'univers. Des données récentes du Dark Energy Spectroscopic Instrument (DESI) ont alimenté ce débat : ses mesures des oscillations acoustiques baryoniques – des ondes sonores figées dans la distribution des galaxies – suggèrent que la quantité d'énergie noire pourrait être environ 10 % inférieure à ce qu'elle était il y a 4,5 milliards d'années, selon CERN Courier.

Les preuves sont séduisantes mais pas encore concluantes. Les chercheurs soulignent que la signification statistique oscille entre 2,8 et 4,2 sigma selon les ensembles de données combinés – bien en deçà du seuil de 5 sigma exigé par les physiciens pour revendiquer une découverte.

Pourquoi c'est important pour le destin de l'univers

La nature de l'énergie noire détermine la façon dont le cosmos se termine. Si elle reste constante, l'univers se dilatera à jamais, et les galaxies au-delà de notre groupe local finiront par s'éloigner au-delà de l'horizon observable – une lente et froide disparition connue sous le nom de Big Freeze. Si l'énergie noire se renforce avec le temps, elle pourrait finir par déchirer les galaxies, les étoiles et même les atomes dans un Big Rip catastrophique. Si elle s'affaiblit, l'expansion pourrait ralentir, voire s'inverser, conduisant à un Big Crunch.

Comment les scientifiques recherchent des réponses

Une nouvelle génération d'instruments cartographie l'univers avec une précision sans précédent. Le Dark Energy Survey a récemment publié son analyse finale de six années de données collectées à partir d'un télescope dans les Andes chiliennes, cataloguant 669 millions de galaxies sur 758 nuits d'observation. Ses résultats combinés ont doublé la précision des contraintes précédentes sur l'histoire de l'expansion de l'univers.

Pendant ce temps, DESI continue de construire la plus grande carte tridimensionnelle du cosmos, et l'Observatoire Vera C. Rubin – qui devrait commencer son étude décennale prochainement – suivra des milliards de galaxies pour mesurer comment les structures cosmiques se développent sous le tiraillement entre la gravité et l'énergie noire. La mission Euclid de l'Agence spatiale européenne, lancée en 2023, mène sa propre étude du ciel entier depuis l'espace.

Ensemble, ces projets pourraient enfin révéler si l'énergie noire est la constante immuable d'Einstein ou quelque chose de beaucoup plus dynamique – et, ce faisant, nous dire comment se termine l'histoire de l'univers.