À l’image de l’hydre mythologique pour laquelle deux têtes repoussent lorsqu’une est coupée, en science, une réponse déclenche toujours l’apparition de plusieurs autres questions dans un cycle apparemment sans fin. Même si de nombreuses questions concernant la physique demeurent en suspend, une dizaine d’entre elles occupent aujourd’hui majoritairement les physiciens.

« Je suis à l’aise avec l’inconnu – c’est là tout l’intérêt de la Science. Je n’ai pas besoin de réponse à toutes mes questions. Je veux des réponses à trouver » déclarait le physicien et vulgarisateur Brian Cox. Cependant, certaines réponses s’avèrent bien plus insaisissables que d’autres. Actuellement, en physique, une dizaine de questions occupent le podium en termes d’investissement et d’efforts de recherche. Sans que la liste soit exhaustive, voici quelques-unes des énigmes les plus brûlantes.

1. Le déséquilibre matière-antimatière

Aujourd’hui, l’univers est majoritairement constitué de matière. Prédite dès 1928 par le physicien Paul Dirac et observée en 1932 par Carl David Anderson, l’antimatière, qui ne diffère de sa consœur que par sa charge opposée, n’est présente naturellement qu’en quelques rares traces dans l’univers observable (rayons cosmiques, foudre, ceinture de van Allen, etc) et artificiellement dans nos laboratoires. Cependant, selon le modèle standard de la cosmologie, particules et antiparticules auraient été créées en quantités identiques lors du Big Bang.

matiere antimatiere

Au moment du Big Bang, particules et antiparticules auraient dû être créées en quantités identiques. Crédits : NASA

Alors, quelle est la cause de ce déséquilibre ? Si de nombreuses hypothèses ont été avancées, aucune théorie consensuelle n’a encore fait son apparition. La recherche de l’origine de l’absence d’antimatière est un sujet très actif en cosmologie. En 1965, le physicien nucléaire Andreï Sakharov propose que la violation de la symétrie CP (charge-parité) est à l’origine de l’asymétrie matière-antimatière ; pour cela, il énonce trois conditions (les conditions de Sakharov) nécessaires à l’émergence de cette asymétrie.

Sur la piste ouverte par Sakharov, une hypothèse avance que les kaons neutres pourraient être à l’origine du déséquilibre. En effet, les physiciens ont découvert que l’antiparticule du kaon neutre violait la symétrie CP : le kaon neutre « court » possède une durée de vie plus brève que le kaon neutre « long ». Cette violation pourrait expliquer la minorité numérique d’antimatière par rapport à la matière lors du Big Bang (1’000’000’000 antiparticules pour 1’000’000’001 particules) et donc l’annihilation quasi-complète de la première.

D’autres scénari ont également été proposés. Certains physiciens avancent l’hypothèse des sphalérons, c’est-à-dire des processus pouvant transformer des baryons en anti-leptons et des anti-baryons en leptons ; les sphalérons auraient donc converti plus d’anti-baryons en leptons que l’inverse, produisant ainsi un excès de matière. D’autres scientifiques proposent que l’antimatière serait en réalité située dans une zone de l’univers au-delà de l’univers observable.

2. La matière noire

Cinq fois plus abondante que la matière baryonique (matière ordinaire) et représentant environ 27% de la densité d’énergie de l’univers, la matière noire est partout, mais demeure pourtant invisible. L’idée est avancée dès 1933 par l’astronome suisse Fritz Zwicky, puis de nouveau par Sinclair Smith en 1936. Mais ce n’est véritablement qu’en 1970 que les astrophysiciens Vera Rubin et Kent Ford proposent officiellement l’hypothèse de la matière noire.

N’interagissant ni avec les photons (interaction électromagnétique) ni avec la matière environnante, la matière sombre se soustrait inexorablement à nos yeux. Cependant, bien que ne pouvant être directement détectée, la matière sombre possède une masse, elle agirait donc bien indirectement via l’interaction gravitationnelle sur la matière baryonique alentour.

Les modèles théoriques actuels requièrent son existence afin d’expliquer un certain nombre de phénomènes astrophysiques concrètement observés, parmi lesquels la courbe anormale de rotation des galaxies (la vitesse des étoiles périphériques est plus élevée que prévue) ou encore les anisotropies du fond diffus cosmologique. En outre, dans notre modèle cosmologique standard – le modèle Λ-CDM (pour Cold Dark Matter, matière noire froide) – cette matière invisible intervient également dans la formation des grandes structures de l’univers.

Bien que de nombreuses observations aient été effectuées et aillent dans le sens de la présence de matière noire, aucune confirmation définitive n’a encore été apportée. Quant à sa nature, plusieurs candidats ont été proposés, au nombre desquels les WIMPs, les bosons noirs, les neutrinos stériles ou encore les MACHO. D’autres modèles rejettent tout simplement l’existence de la matière sombre et proposent de modifier nos modèles gravitationnels actuels pour expliquer les diverses observations : théorie MOND, gravité émergente, etc.

3. L’énergie noire

Expression introduite pour la première fois en 1988 par les physiciens Huterer et Turner, l’énergie noire est une forme d’énergie atypique agissant comme une force gravitationnelle répulsive (énergie à pression négative) et qui serait responsable de l’accélération de l’expansion l’univers. Cette dernière a été mise en évidence grâce à l’observation des supernovas par deux équipes de cosmologistes dirigées par les physiciens Adam Reiss et Saul Permultter en 1998 ; la découverte leur vaudra le prix Nobel en 2001.

Avec une répartition uniforme et une densité d’environ 10-29 g/cm3, l’énergie sombre représente 68% de la densité d’énergie totale de l’univers. Si à l’échelle des galaxies l’effet de la gravité surpasse celui de l’énergie noire (c’est pourquoi les galaxies ne se délitent pas), sur les grandes distances, au contraire, cette dernière prend le dessus et entraîne l’éloignement des galaxies les unes par rapport aux autres. Cette vitesse d’éloignement, également appelée « vitesse de récession », augmente au fur et à mesure de la distance.

Bien qu’elle soit réputée être actuellement à l’origine de l’accélération de l’expansion, les modèles théoriques montrent que ce ne fut pas toujours le cas ; par le passé, l’univers a traversé des phases de plateau et même des phases de décélération. Il n’y a que depuis quelques milliards d’années que l’expansion se « reprend » son accélération. Tout cela indique des variations chronologiques, potentiellement cycliques, dans la dynamique de l’énergie noire.

energie sombre graphe

La dynamique de l’énergie sombre a varié au cours de l’histoire de l’univers. Après avoir subi une phase de décélération et de plateau, celle-ci est entrée dans une phase d’accélération. Crédits : NASA/ Chandra X-Ray Telescope

Malgré l’observation concrète de l’accélération de l’expansion, aucune trace de l’énergie noire n’a encore été mise en évidence. Plusieurs hypothèses sont avancées par les physiciens quant à sa nature. La première candidate est celle qu’Einstein qualifia de « plus grande erreur de sa vie » : la constante cosmologique.

Rejetée par le physicien allemand, la constante cosmologique, notée « Λ », revient pourtant sur le devant de la scène en tant qu’hypothèse principale concernant la nature de l’énergie sombre. En effet, avec une valeur non nulle, cette composante de l’équation d’Einstein pourrait être responsable de l’accélération de l’expansion via l’énergie du vide quantique.

D’autres théories abordent la question selon deux cas de figure. Selon certains physiciens, c’est la modélisation actuelle de la matière qui doit être modifiée, grâce à des modèles comme la quintessence, la k-essence, etc. Pour d’autres, c’est la modélisation de la gravité qui doit être revue, via des modèles comme la gravité f(R), la cosmologie branaire ou encore les champs scalaires.

4. Le destin de l’univers

Si la question du Big Bang et de l’apparition de l’univers est un domaine actif de recherche en cosmologie, il en va de même pour son destin et sa possible fin. Pour déterminer la chronologie future de l’univers, les différents scénarios se basent sur la dynamique de l’hypothétique énergie sombre.

Dans le cas où l’énergie sombre conserverait sa constance actuelle, l’expansion se poursuivrait indéfiniment, conduisant l’univers à se refroidir progressivement jusqu’à ce que tous les astres s’éteignent un à un, qu’inexorablement les trous noirs finissent par s’évaporer et que l’univers finissent à l’état de cimetière gelé dans lequel n’existe plus aucune source de chaleur. Un scénario baptisé « Big Freeze » (le Grand Gel). Les observations actuelles tendent à conforter ce dernier.

Autre scénario : l’intensité de l’énergie sombre s’amoindrit progressivement. Dès lors, l’expansion finirait par décélérer puis s’arrêter, laissant tout le loisir à la gravité de l’emporter de nouveau sur les grandes échelles. Dans une telle situation, l’ensemble des objets de l’univers (plus généralement toute la matière et l’énergie) entrerait dans un mouvement global de contraction jusqu’à ce que l’univers redeviennent extrêmement dense et chaud. Ce modèle est appelé « Big Crunch » (Grand Écrasement)..

Enfin, dans le cas où l’énergie sombre accélérerait exponentiellement l’expansion de l’univers, le taux d’expansion deviendrait si important que la gravité se retrouverait tout d’abord vaincue à l’échelle galactique, puis à l’échelle des systèmes planétaires, jusqu’à l’échelle sub-atomique elle-même. Tous les objets de l’univers finiraient déchirés et réduits en morceaux, y compris l’espace-temps dont la trame se romprait fatalement à la toute fin. Ce scénario est appelé « Big Rip » (Grand Déchirement).

5. La nature du temps

Qu’est-ce que le temps ? Peut-il être inversé ? Est-il constant ? S’écoule-t-il inexorablement dans un sens ? Peut-on voyager dans le temps ? Autant de questions que se posent les scientifiques, et l’humanité en générale, depuis des centaines (et peut-être même des milliers) d’années. Parmi tous les sujets d’étude, le temps est certainement celui qui occupe le plus l’esprit des physiciens.

Sans être compris, le temps ne cesse pourtant d’être remis en question. Stable et fixe dans la physique de Newton, Einstein montre au contraire, avec la relativité générale, que le temps est intimement mêlé à l’espace au sein de l’espace-temps, et que, loin d’être rigide, il est dynamique et relatif selon l’observateur considéré. Le père de la relativité montrera même que les lois de la physique restent invariantes sous des renversements du temps.

cone lumiere

La relativité utilise des cônes de lumière afin de décrire l’aspect causal du temps et son effet sur la chronologie des événements de l’espace-temps. Crédits : Astrosurf

Bien que dynamique et théoriquement non-linéaire, le temps nous apparaît pourtant suivre un flux unidirectionnel du passé vers le futur, une sorte de « flèche du temps » que les physiciens associent aux lois thermodynamiques et plus précisément à l’entropie. Dans certaines théories telle que la gravitation quantique à boucles, le temps devient même facultatif, il n’est plus considéré comme une propriété intrinsèque à l’univers. Tandis que pour des théoriciens comme Piero Caldirola, le temps est constitué de chronons, des « atomes de temps ».

Notion éminemment importante en physique, et plus globalement en science, la physique du temps n’en est qu’à ses balbutiements. L’absence de consensus actuel offre toute une gamme d’hypothèses différentes dont les auteurs se livrent à une véritable course au temps. En effet, aucun scientifique ne voudrait être en retard pour une telle découverte.

Préc.1 sur 2Suiv.
(article sur plusieurs pages)

Laisser un commentaire

Votre adresse e-mail ne sera pas publiée.

Share
Share