Confirmée en 1998 par deux équipes de chercheurs, l’accélération de l’expansion de l’Univers est aujourd’hui expliquée dans le Modèle cosmologique standard par une énergie de nature inconnue, appelée énergie noire. L’hypothèse majoritaire actuelle décrit l’énergie noire comme une propriété de l’espace-temps, et est donc assimilée à la constante cosmologique. Toutefois, d’autres modèles avancent une nature différente de l’énergie noire ; c’est notamment le cas du modèle de la quintessence. Et récemment, une équipe de chercheurs, en analysant les données sur le fond diffus cosmologique recueillies par la mission Planck, pourrait avoir trouvé des indices de l’existence de cette quintessence. Des résultats qui, s’ils venaient à être confirmés, auraient de lourdes conséquences sur les modèles actuels.
Les chercheurs suggèrent que la polarisation de la lumière, qu’ils ont identifiée dans les données du fond cosmologique diffus (CMB) collectées par le télescope spatial Planck, et l’accélération de l’Univers, pourraient être produites par une quintessence cosmique, une énergie exotique qui imprègne le cosmos. Une telle découverte exigerait une révision majeure des théories actuelles, et les physiciens préviennent que les indices sont provisoires : ils n’atteignent pas le seuil de « 5 sigma » utilisé pour déterminer si un signal est une découverte.
Mais cela souligne le fait que la cosmologie moderne a encore une image incomplète du contenu de l’Univers. Si l’énergie noire est une quintessence, sa poussée sur l’expansion pourrait progressivement ralentir ou disparaître, ou pourrait même s’inverser pour devenir une force attractive, provoquant l’effondrement de l’Univers en un Big Crunch. « Nous sommes de retour à une situation où nous n’avons aucune idée de la façon dont l’Univers va se terminer », affirme Sean Carroll, physicien théoricien au Caltech.
L’incertitude sur la nature de l’énergie noire
La première preuve directe qu’une force inconnue poussait l’expansion cosmique à s’accélérer est apparue en 1998, à partir de deux études distinctes des supernovas. Une foule d’autres études ont depuis confirmé la présence de cette force, surnommée l’énergie noire, mais n’ont fourni que peu de précieuses informations sur sa nature.
La première hypothèse des chercheurs — qui reste la principale théorie — était que l’énergie noire est une propriété intrinsèque de l’espace, ce qui signifierait que la quantité d’énergie sombre par unité de volume de l’espace est fixée comme une « constante cosmologique ». Mais certains cosmologistes ont émis l’hypothèse que l’énergie noire est entièrement constituée de quelque chose d’autre. Ils appellent cela un champ de quintessence, d’après le cinquième élément, ou éther — le nom que les philosophes grecs antiques donnaient à un matériau invisible censé remplir tout l’espace vide de l’Univers.
Contrairement à la constante cosmologique, la quintessence « est une substance tangible avec ses propres fluctuations », explique Robert Caldwell, cosmologiste au Dartmouth College, qui fut l’un des premiers chercheurs à proposer l’existence de la substance. La quintessence pourrait avoir des propriétés intermédiaires entre celles de la matière et celles d’une constante cosmologique. Au fur et à mesure de l’expansion de l’Univers, une constante cosmologique maintiendrait une densité constante, tandis que la densité de la quintessence diminuerait — mais pas aussi vite que la densité de la matière, qui diminue à mesure que les galaxies s’éloignent.
Quintessence : se cache-t-elle dans la polarisation du CMB ?
En 1998, Carroll a proposé un test expérimental pour la quintessence, basé sur la prédiction qu’elle modifie la façon dont la lumière se propage dans l’espace. Un groupe dirigé par le physicien théoricien Marc Kamionkowski, maintenant à l’Université Johns Hopkins, a ensuite calculé comment cet effet pouvait être mesuré dans le CMB, le rayonnement primordial souvent décrit comme la rémanence du Big Bang. Les chercheurs ont suggéré qu’il serait possible de détecter des signes de quintessence en regardant des cartes de lumière polarisée à travers le CMB.
La lumière est polarisée lorsque son champ électrique « oscille » dans une direction particulière, plutôt que dans une direction aléatoire. La théorie dit que la quintessence déforme la direction dans laquelle la polarisation se fait, d’une manière qui pourrait être détectée en regardant la polarisation sur tout le ciel.
Deux cosmologistes — Yuto Minami de la High Energy Accelerator Research Organization (KEK) à Tsukuba, au Japon, et Eiichiro Komatsu de l’Institut Max Planck pour l’astrophysique à Garching, en Allemagne — ont identifié cette signature du CMB dans les données de Planck de l’Agence spatiale européenne (mission qui s’est terminée en 2013).
L’objectif principal de Planck était de cartographier de minuscules variations de la température du CMB dans le ciel, mais la mission a également mesuré la polarisation du rayonnement. Minami et Komatsu ont pu détecter des signes de quintessence grâce à une nouvelle technique qu’ils ont rapportée l’année dernière.
Leurs résultats diffèrent de ceux d’autres groupes, qui ont examiné les cartes de polarisation du CMB — y compris celles de Planck — et n’ont trouvé aucune distorsion, explique la physicienne Suzanne Staggs de l’Université de Princeton, dont l’équipe mesure le rayonnement du CMB à l’aide de l’Atacama Cosmology Telescope (ACT) au Chili. L’équipe de Staggs prévoit d’essayer la technique de Minami et Komatsu sur des données de l’ACT.
De lourdes conséquences sur les modèles actuels
Le document est « une analyse assez intéressante », mais le bruit dans les signaux de Planck pourrait être un facteur de complication, explique George Efstathiou, un éminent cosmologiste de la mission Planck à l’Université de Cambridge. Les théoriciens réagissent également avec prudence. « Si cela se confirme, c’est grandiose », dit Carroll. Mais il note que la signification statistique — seulement 2.5 sigma — du résultat est faible, et explique que ce genre de résultat disparaît souvent après un examen plus approfondi.
Kamionkowski est d’accord. « Je pense que nous voudrons probablement examiner tout cela très attentivement avant de nous enthousiasmer ». Il ajoute que l’existence de la quintessence aurait des implications non seulement pour la cosmologie, mais aussi pour la physique fondamentale : le modèle standard de la physique des particules ne prédit aucune sorte de quintessence.
D’autres efforts sont en cours pour cartographier la polarisation du CMB avec une plus grande précision, et pour soumettre la quintessence à des tests rigoureux. Ces projets comprennent l’observatoire Simons, une autre expérience d’observation du CMB en cours de mise en place dans le désert d’Atacama, et une future sonde spatiale japonaise appelée LiteBIRD.
Si la quintessence s’avère être l’explication, elle aura des effets en cascade sur les meilleures estimations des caractéristiques de l’Univers, y compris son âge, qui pourrait être un peu plus jeune que les 13.8 milliards d’années que les cosmologistes ont calculé sur la base des données de Planck. Cela pourrait également aider à expliquer pourquoi les données du CMB prédisent que l’Univers devrait se développer à un rythme plus lent que celui actuellement observé. « Le rocher sur lequel ces hypothèses se tiennent est la constante cosmologique. Si vous changez cette pierre, cela pourrait avoir un effet sur tout le reste », conclut Caldwell.
Une galaxie est une grande structure cosmique composée d'un
assemblage d'étoiles, de gaz et de poussières. Il en existe
plusieurs types, classés selon leur masse et leur morphologie,
formées à différentes... [...]