Du Big Bang au "Big Freeze"

Le prix Nobel de physique 2011 a été décerné aux Américains Saul Perlmutter (52 ans, Berkeley) et Adam Riess (42 ans, John Opkins) ainsi qu’à l’Australo-Américain Brian Schmidt (44 ans, Weston Creek) "pour la découverte de l’expansion accélérée de l’Univers", a annoncé mardi le comité Nobel à Stockholm.

Guy Duplat
Du Big Bang au "Big Freeze"
©D.R.

Le prix Nobel de physique 2011 a été décerné aux Américains Saul Perlmutter (52 ans, Berkeley) et Adam Riess (42 ans, John Opkins) ainsi qu’à l’Australo-Américain Brian Schmidt (44 ans, Weston Creek) "pour la découverte de l’expansion accélérée de l’Univers", a annoncé mardi le comité Nobel à Stockholm. Les lauréats sont récompensés pour avoir découvert dans l’explosion des étoiles supernovae, l’accélération de l’expansion de l’Univers qui, à ce rythme, "terminera en glace". On notera que ces lauréats sont encore jeunes et que leurs découvertes sont relativement récentes (publiées en 1998). Mais elles sont très importantes et font partie de ces découvertes sensationnelles de ces dernières années qui ont totalement relancé le travail des cosmologistes qui étudient la naissance et la vie de notre Univers. "Cela démontre, se réjouit Marc Henneaux, professeur de physique théorique à l’ULB, que la physique est loin d’être achevée et que la cosmologie, en particulier, grâce à ces découvertes, est devenue une science et non plus une philosophie."

Mais revenons aux travaux primés des trois lauréats. Pour calibrer les distances dans l’univers, on a besoin de "chandelles-standards" : des points lumineux précis qui servent d’échelles des distances. Les supernovae, ces étoiles superbrillantes au moment où elles explosent, ont une luminosité intrinsèque relativement bien connue et précise qui peut jouer ce rôle de "calibreur". Certaines d’entre elles se trouvent à des milliards d’années lumière de notre point d’observation. Or, le trio primé a analysé un phénomène étonnant grâce à la mesure d’une soixantaine de supernovae de type "Ia" qui ont explosé à des âges différents de l’univers et sont donc à des distances différentes de nous. 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 résultat sensationnel.

Un phénomène qui ne s’explique que par l’existence d’une énergie mystérieuse 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 (ou énergie sombre, "dark energy") répulsive qui peut gouverner l’évolution future de l’univers et qui forme aujourd’hui plus de 70 % de la masse totale de l’univers (la masse de tout ce qui est connu, depuis notre environnement jusqu’aux étoiles lointaines et aux trous noirs ne faisant que 4,5 % de la masse de l’univers !). L’univers serait alors soumis à une accélération de plus en plus rapide, exponentielle, et notre univers serait alors dilué pour devenir un jour immensément vide et froid (un "big freeze"). Cette mort future de l’univers par une expansion exponentielle n’est bien sûr pas démontrée. Elle serait réelle s’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", recondensant toute la masse de l’univers.

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.

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’a la matière à s’agréger.

Constante cosmologique, énergie du vide, énergie noire : trois manières de parler de la même chose. Il est remarquable aussi que la valeur de l’énergie noire déduite par les trois lauréats "colle" bien avec celle des travaux récents des cosmologistes sur la création de notre univers. Pour comprendre l’énergie du vide et pour comprendre comment se comporte la gravitation à grande distance, il faudra attendre que soient unifiées les deux grandes théories physiques du vingtième siècle : la gravitation d’Einstein et la mécanique quantique.