La mystérieuse énergie noire de l'univers

95 pc de la masse de l'univers serait composée de matière noire et d'une mystérieuse énergie noire. Notre conception de l'univers en est bouleversée. La science est en pleine ébullition.

PAR GUY DUPLAT
La mystérieuse énergie noire de l'univers
©NASA/AFP

RÉCIT

Les dernières nouvelles en provenance de l'univers défient la raison. Toute la matière visible depuis les atomes tout proches, jusqu'aux galaxies lointaines ne formerait que environ que 5 pc de la masse totale de l'univers. Les 95 pc restant seraient composés d'une mystérieuse matière noire et surtout d'une non moins mystérieuse énergie noire (appelée aussi énergie sombre), antigravitationnelle qui baignerait tout l'univers.

Nous vous proposons un voyage au sein de ce monde étrange et incroyable né dans les laboratoires des cosmologistes et astrophysiciens en compagnie de Marc Henneaux, professeur de physique théorique à l'ULB, lauréat du prix Francqui 2000 et spécialiste des trous noirs. Si ces théories nouvelles sont parfois complexes, laissez-vous bercer par des images quasi poétiques qui tentent de décrire ce monde qu'on croyait connaître et qui est entièrement bouleversé par les dernières découvertes de la science.

L'hypothèse d'une matière noire est née des constatations des astrophysiciens. Ils ne parvenaient pas à comprendre pourquoi les galaxies et les amas de galaxies pouvaient être stables. Les galaxies tournent sur elles-mêmes et la force centrifuge devrait les disloquer, sauf si leur masse est telle que la gravitation les maintiendrait ensemble. Mais les astrophysiciens avaient beau calculer la masse visible d'une galaxie ou d'un amas, ils étaient loin d'atteindre le chiffre suffisant pour compenser la force centrifuge.

Naines brunes et «Big Jups»

Une autre manifestation de la matière noire est à sa contribution à l'effet de lentille gravitationnelle. On sait depuis Einstein que la gravitation peut courber les rayons lumineux. Le rayonnement d'une étoile passant près d'une masse importante nous apparaîtra courbé. S'il existe une matière noire importante sur le chemin du rayonnment d'une galaxie brillante et lointaine, on devrait voir par effet de lentille, des images doubles ou triples, ou des «anneaux d'Einstein». Et les déviations dans les images reçues dépendront de la masse noire qui se trouve sur le chemin.

Quelle serait donc cette masse mystérieuse, la masse noire, qui se cacherait derrière les étoiles visibles?

On a imaginé de nombreux trous noirs (résultat de l'effondrement gravitationnel d'étoiles), ou des astres sombres dénommés MACHOs pour Massive Astrophysical Compact Halo Objets (naines brunes, planètes géantes comme notre Jupiter et appelées «Big Jups»), mais les spécialistes penchent finalement vers une troisième explication: l'existence de particules élémentaires non connues à ce jour, et qui n'interagissent que très faiblement avec la matière visible. A la manière des neutrinos qui traversent à chaque instant la terre par milliards de milliards, comme si elle n'était qu'une boule vide, ces particules aux noms exotiques (les «Weakly Interacting Massive Particles», les neutralinos, les axons, etc...) nous passeraient continuellement à travers le corps, sans qu'on ressente quoi que ce soit. Mais contrairement aux neutrinos, certaines de ces particules pourraient avoir une masse non négligeable. La théorie de la «supersymétrie» qui unifie les particules de matière (quarks) et celles liées aux différents forces, et qui sont responsables des interactions (photons, gluons, bosons W et Z), prédit l'existence de nouvelles particules qui pourraient jouer ce rôle.

Les calculs prédisent que cette matière noire devrait être 5 fois plus lourde au total que la matière visible, formant à elle seule 25 pc de la masse de l'univers.

Mais comment peut-on espérer la détecter?

En 2007, le nouveau super collisionneur du CERN à Genève, le LHC, dans lequel la Belgique a une part importante, et qui enverra dans le grand anneau souterrain des protons heurter des antiprotons, permettra, espére-t-on, des découvertes fondamentales. On pourrait trouver des traces de la supersymétrie et donc de l'existence de ces particules exotiques.

Pour aller plus loin dans ce voyage dans les mystères de l'univers et arriver à l'énergie noire, il faut d'abord s'arrêter aux derniers et spectaculaires résultats de la cosmologie observationnelle. Cette science, forte des résultats des satellites Cobe et Map comme des observations des téléscopes géants, a connu un développement incomparable ces quinze dernières années.

Deux éléments importants ont été analysés qui mènent directement à l'énergie noire: les fluctuations du rayonnement fossile et l'observation des supernovas de type Ia.

On sait que le rayonnement de fond est celui qui naquit dans l'évolution de l'univers lorsque 380000 ans après le big bang, la température de l'univers était descendue suffisamment pour que les photons se découplent et que le monde devienne transparent. Ce «flash initial» est toujours visible aujourd'hui sous forme du «fond diffus cosmologique». Celui-ci est en quelque sorte l'empreinte de l'univers après le big bang, comme un pouce peut avoir son empreinte. En 1965, Arno Penzias et Robert Wilson découvraient dans le ciel les traces de ce fonds diffus. Ce rayonnement apparaît aujourd'hui sous forme de micro-ondes, équivalentes à une température de 2,73 °K , soit 2,73 °K au-dessus du zéro absolu.

L'uniformité de ce fond, l'homogénéité remarquable de l'univers quelle que soit la direction vers laquelle on le regarde ne s'explique que par une phase d'«hyperinflation» dans les premières millisecondes de l'univers lorsque celui-ci a cru a une vitesse plus importante que la vitesse de la lumière et nécessaire pour homogénéiser la «soupe initiale».

Mais on a néanmoins découvert dans ce bruit de fond, de petites irrégularités de l'ordre de 10-5, oit un cent-millième, des grumeaux dans ce rayonnement fossile qui concordent parfaitement avec la théorie de l'inflation et avec nos connaisances sur la naissance des galaxies autour de ces grumeaux.

L'étude des irrégularités du bruit de fond à 2,73 °K permet de trancher la question importante de la géométrie de l'univers. Est-il à courbure positive, comme une sphère? Est-il plat, euclidien? Ou est-il à courbure négative (en forme de selle de cheval)? On a remarqué que la taille des anisotropies observées n'est nullement déformée comme elle le serait si l'univers avait une courbure. L'univers (dans ses dimensions d'espace) est donc plat et ce qu'on voit nous arrive sans aucune déformation. Un univers plat a une densité bien précise appelée densité critique. Or si on fait le compte de la matière visible, et de la matière noire, on calcule qu'on n'obtient encore que 30 de la densité critique. Il reste donc 70 pc de la masse de l'univers qui serait une énergie noire, remplissant tout l'univers de manière homogène et ayant échappé pour cette raison à toute détection directe.

Constante cosmologique

Les physiciens se sont alors souvenus de la «constante cosmologique» qu'Einstein avait introduite dans ses équations. Il s'agissait pour lui d'inclure de manière arbitraire, pour les besoins de la démonstration, une constante répulsive à grande échelle, s'opposant à la force gravitationnelle, une pression négative. Grâce à cette constante, Einstein pouvait concevoir un univers statique car il ne pouvait admettre au départ, l'idée d'un univers en expansion pourtant démontré par l'expérience. Einstein a admis par la suite que cette constante avait été la plus grande erreur de sa vie. Mais il arrive parfois qu'un concept introduit pour de mauvaises raisons réapparaisse ensuite de manière pertinente. Cette constante cosmologique réintroduite aujourd'hui aurait un effet répulsif et s'opposerait à la tendance qu'à la matière à s'aggréger.

Une seconde observation capitale tend à corroborer l'idée de cette énergie noire. Pour calibrer les distances de l'univers, on a besoin de «Chandelles-standards»: des point lumineux précis qui servent d'échelles des distances. Les supernovas, ces étoiles, superbrillantes à la luminosité intrinsèque relativement bien connue et précise, jouent ce rôle. Certaines d'entre elles, se trouvent à des milliards d 'années lumière de notre point d'observation. Or, on a analysé un phénomène étonnant grâce à une soixantaine de supernovas de type Ia. La mesure de leur luminosité apparente et celle du glissement de fréquence du rayonnement, significatif de la vitesse d'expansion de l'univers, montrent que l'univers accélère pour l'instant son expansion. Au lieu de se fatiguer après 14 milliards d'années de gonflement, l'univers au contraire enfle de plus en plus vite. Un phénomène qui ne s'explique que par une énergie répulsive et antigravitionnelle.

Cette découverte a bien sûr des conséquences capitales sur notre compréhension de l'univers.

Celui-ci aurait connu une première période «radiative» avant d'entrer dans l'époque de la matière quand les galaxies se sont formées.

Mais avec le temps, cette forme d'énergie est devenue négligeable laissant la place libre à cette énergie noire répulsive qui peut gouverner l'évolution future de l'univers. Celui-ci serait alors soumis à une accélération de plus en plus rapide, exponentielle, et notre univers serait alors dilué pour devenir immensément vide et froid.

Cette mort future de l'univers par une expansion exponentielle n'est bien sûr pas démontrée. Elle serait réelle si il y avait bien une constante cosmologique répulsive, mais les astrophysiciens n'excluent pas que cette force répulsive et constante aujourd'hui dans tout l'univers puisse évoluer dans le temps et disparaître, de sorte que le monde un jour commence à se contracter jusqu'à amorcer un «big crunch», conduisant à recondenser toute la masse de l'univers en un point singulier, un «big bang à l'envers».

L'énergie du vide

Mais un grand problème se pose à cette conception de l'énergie noire: si on tente de calculer cette même énergie par les voies de la micro-physique en calculant l'énergie du vide, on obtient une valeur incommensurablement plus grande que l'énergie noire déduite des calculs des cosmologistes. Le facteur de différence est de 10120, 10 exposant 120 (!), un chiffre défiant toute imagination! Mais que veut dire l'énergie du vide? La théorie quantique explique que le vide n'est pas vide.... Il reste le lieu de fluctuations quantiques des différents champs (électromagnétiques, etc.). Le principe d'incertitude d'Heisenberg exclut qu'il n'y ait rien car ce serait une certitude. Autrement dit, la physique théorique et ses lois empêchent que le vide soit vide. Et on peut calculer l'énergie associée à ces fluctuations, une énergie gravitationnelle qui contribue à la courbure de l'espace-temps.

Pour résoudre ce colossal écart entre les deux visions de l'énergie du vide, il faudra sans doute attendre que soient unifiées les deux grandes théories physiques du vingtième siècle: la gravitation d'Einstein et la mécanique quantique.

Les années à venir seront cruciales pour ces modèles. Les théoriciens sont face à des défis formidables: unification des théories de la gravitation et de la mécanique quantique, validation de la théorie des supercordes, etc. Les expérimentateurs ont des échéances aussi passionnantes: en 2007, le CERN mettra en route son supercollisionneur. En 2007, on devrait avoir les premiers résultats expérimentaux de détection directe des ondes gravitationnelles prévues par Einstein et déjà détectées indirectement dans les pulsars binaires. Et les astrophysiciens veulent aussi mettre en orbite de nouveaux télescopes qui scruteront systématiquement les supernovas de type Ia et le rayonnement cosmique de fond.

«Tout ceci conclut Marc Henneaux, tend à nous donner une image cohérente de l'univers mais elle doit encore être confirmée par des observations supplémentaires pour devenir un véritable nouveau modèle standard. D'autant plus qu'en cosmologie, on ne peut que procéder à des observations difficiles que l'on ne contrôle pas comme les expériences effectuées en laboratoire. Il n'est donc jamais exclu que tout notre modèle soit remis en cause par de nouvelles observations.»

© La Libre Belgique 2003