L’énergie sombre domine l’Univers et pourrait même le mener à une fin froide et sombre… Mais cela ne signifie pas pour autant que nous avons beaucoup d’indices sur ce dont il s’agit, ou sur comment elle fonctionne. Au contraire, l’énergie sombre — une forme d’énergie hypothétique uniformément répartie dans l’Univers — est encore très mal comprise par les physiciens, et de nombreux efforts sont aujourd’hui consacrés à en élucider les différents aspects.
L’énergie noire (ou énergie sombre) domine l’Univers. Mais de quoi s’agit-il réellement ? D’où provient-elle ? Quelle est sa fonction dans l’univers ? Tant de questions auxquelles les scientifiques du monde entier tentent de répondre. Aujourd’hui, découvrez ce que nous savons déjà de cette énergie mystérieuse.
Dans un premier temps, il est communément admis que l’Univers est né il y a 13.75 milliards d’années suite à une « gigantesque explosion », connue sous le nom de Big Bang. Les scientifiques pensent que l’Univers était avant cela confiné en un point infiniment petit, qui devait donc être incroyablement chaud et dense. Puis, après le Big Bang, il aurait connu une expansion et s’est refroidi (selon cette théorie).
Les atomes puis les molécules ont alors pu se former et c’est la force d’attraction gravitationnelle qui a agrégé de la masse en blocs de plus en plus gros, jusqu’à former des étoiles, des planètes et des galaxies, telles que nous les connaissons aujourd’hui.
Ce diagramme révèle des changements dans le taux d’expansion depuis la naissance de l’Univers il y a 13.8 milliards d’années. Plus la courbe est peu profonde et plus le taux d’expansion est rapide. La courbe a sensiblement changé il y a environ 7.5 milliards d’années, lorsque les objets de l’univers ont commencé à voler en éclats plus rapidement. Les astronomes théorisent que le taux d’expansion plus rapide est dû à une mystérieuse force sombre qui sépare les galaxies : l’énergie sombre. Crédits : NASA/STSci/Ann Feild
Qu’est-ce que l’énergie sombre ?
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En cosmologie, l’énergie noire ou énergie sombre (de l’anglais dark energy) est une forme d’énergie emplissant uniformément tout l’univers et dotée d’une pression négative (qui la fait se comporter comme une force gravitationnelle répulsive). Malgré une densité très faible, l’énergie noire est une composante majeure de l’univers, représentant environ 68% de la densité d’énergie totale. [Attention : il ne faut pas confondre l’énergie noire avec la matière noire, qui elle, au contraire, ne remplit pas uniformément l’univers et qui interagit normalement (forces attractives) avec la gravitation].
L’énergie sombre est donc partout. Elle imprègne tous les coins et recoins de l’Univers, dominant tout ce qu’il contient. L’énergie sombre dicte comment l’univers se comporte à l’heure actuelle, et dans le futur également (voire sa fin ?). Cependant, à l’heure actuelle, nous ne savons toujours pas ce que c’est exactement.
Ce qui est certain, c’est que la vitesse d’expansion de l’Univers peut être calculée, ce qui a justement été fait à la fin des années 1990. Les chercheurs voulaient mesurer jusqu’à quel point l’expansion de l’univers s’était déjà ralentie. Pour cela ils ont observé un type particulier d’étoiles en train d’exploser, les supernovae de type 1a. De telles supernovas sont utilisées comme chandelles standard, c’est-à-dire comme références pour la mesure des distances dans l’espace.
Cette image combine les données de quatre télescopes spatiaux pour créer une vue multi-ondes de tout ce qui reste de RCW 86, l’exemple le plus ancien documenté d’une supernova. Crédits : X-ray: NASA/CXC/SAO & ESA; Infared: NASA/JPL-Caltech/B. Williams (NCSU)
Bien entendu, cela a été un énorme défi que d’observer de tels objets célestes : l’éclat de ces explosions d’étoiles n’est visible que pendant un court laps de temps et les astronomes ont effectué des mesures durant plusieurs années, avec les meilleurs télescopes au monde.
Mais lorsque les mesures ont enfin été terminées et qu’elles ont pu être analysées, les résultats des chercheurs étaient surprenants : les explosions stellaires massives étaient plus éloignées que leur luminosité ne le suggérait, ce qui indique non seulement que l’Univers est en expansion (ce qui était prévu), mais que son expansion s’accélère, (ce qui n’était pas prévu) du fait de la nature répulsive de l’énergie sombre. Et c’est donc ainsi, en 1998, que l’énergie sombre est entrée en scène, lorsque deux groupes concurrents ont fait la même observation de supernovas lointaines.
Comprendre l’énergie sombre
Comprendre l’énergie sombre permettra de mieux comprendre l’histoire passée de l’Univers ainsi que d’avoir une meilleure vision globale de ce qui attends le cosmos à l’avenir. En effet, selon les scientifiques, selon la nature de l’énergie sombre, l’Univers se terminera (ou non) par un Big Crunch (ou effondrement terminal), qui désigne l’effondrement global, c’est-à-dire une phase de contraction faisant suite à la phase d’expansion. Cependant, à l’heure actuelle, bien que de nombreuses théories existent, nous ne sommes encore certains de rien.
Aujourd’hui, les scientifiques expliquent tout de même le phénomène de l’énergie sombre de la sorte : après le Big Bang, l’Univers est entré en expansion. À ce moment-là, comme les masses étaient très proches les unes des autres, une forte attraction gravitationnelle s’exerçait, ce qui freinait cette expansion de l’Univers. La mystérieuse énergie sombre restait en arrière-plan, agissant contre la gravitation. Au fur et à mesure que l’univers s’étend, l’attraction gravitationnelle devient de plus en plus faible entre les masses (qui se retrouvent de plus en plus éloignées les unes des autres). Et, dans cet espace pratiquement vide de masse et de gravitation, l’énergie sombre semble prendre le dessus, ce qui entraîne l’accélération de l’expansion de l’Univers.
Pour résumer, présentement, ce que les scientifiques peuvent dire, c’est que l’énergie sombre agit comme une sorte d’antigravité, repoussant les éléments là où la gravité les attire.
C’est inscrutabilité et le mystère qui l’entoure qui lui a valu son nom, mais Catherine Heymans, de l’Université d’Édimbourg (Royaume-Uni), n’est pas convaincue par cette appellation : « Lorsque la plupart des gens pensent à quelque chose de sombre, ils pensent que cela absorbe la lumière. Mais l’énergie noire n’absorbe ni n’émet de lumière », explique-t-elle.
Quoi qu’il en soit, l’énergie sombre représente 68% de la densité d’énergie de l’Univers. À savoir que la matière dite ordinaire (baryonique) représente moins de 5%. Le reste est presque également inscriptible, mais gravitationnel : il s’agit de la matière noire. À l’heure actuelle, la plupart des cosmologistes pensent que l’énergie sombre est répartie dans l’univers avec une densité égale. « Cela signifierait qu’une plus grande partie de celle-ci est créée pour remplir de nouveaux espaces à mesure que l’univers se développe. L’énergie sombre est une étrange machine à mouvement perpétuel », explique Heymans.
Une nouvelle étude suggère que l’énergie sombre peut avoir varié au cours du temps cosmique. Cette illustration d’artiste aide à expliquer comment les astronomes ont suivi les effets de l’énergie sombre jusqu’à environ un milliard d’années après le Big Bang, en déterminant les distances aux quasars, des trous noirs à croissance rapide très brillants. Crédits : NASA/CXC/Univ. of Florence/G.Risaliti & E.Lusso
Et cela suggère un avenir bien lugubre pour l’Univers, si la domination de l’énergie sombre continue : les galaxies seront de plus en plus éloignées les unes des autres et finiront par se perdre de vue, dans une noirceur terne et uniforme. En effet, si l’énergie sombre continue de dominer la balance énergétique de l’Univers, l’expansion observée de l’espace va continuer à accélérer et les structures qui ne sont pas liées gravitationnellement finiront par s’éloigner les unes des autres à des vitesses apparentes supérieures à celle de la lumière.
De ce fait, si la densité de l’énergie sombre n’augmente pas, l’existence des systèmes liés par la gravitation, tels que les galaxies ou les systèmes planétaires, n’est pas menacée. Ainsi le système solaire ou la Voie lactée par exemple, demeureront essentiellement identiques à ce qu’ils sont aujourd’hui, tandis que le reste de l’Univers, au-delà de notre super-amas local, semblera s’éloigner constamment.
D’où provient l’énergie sombre ?
L’une des façons populaires d’expliquer d’où provient l’énergie sombre se fait par le biais de la théorie quantique : des effets quantiques aléatoires à petite échelle créent de l’énergie, même dans le vide intersidéral. De ce fait, plus il y a d’espace, plus il y a d’énergie.
Des observations récentes de l’expansion de l’Univers ont montré que, lorsque nous utilisons des modèles cosmiques standard pour extrapoler le taux d’expansion de l’Univers à nos jours, la valeur prédite est très inférieure à ce que nous mesurons réellement.
Une explication possible pourrait être que l’énergie sombre est bien plus complexe que nous ne le pensions… « Vous entrez dans toutes sortes de modèles passionnants et glorieux », explique Heymans : ceux où l’énergie sombre évolue avec le temps, par exemple, ou interagit avec la matière noire de manière mystérieuse. « Avec l’énergie sombre, nous ne sommes sûrs de rien. Il se pourrait bien que nous soyons totalement â côté de la plaque », a ajouté Heymans.
Dans tous les cas, l’énergie sombre est une preuve parfaite mettant en lumière de grandes lacunes quant à notre compréhension de la physique et de l’Univers. De ce fait, il reste de nombreuses études à mener avant de découvrir tous les secrets et les mystères de l’énergie noire, et de notre univers…
VIDÉO : Éclaircir les mystères de l’énergie sombre avec WFIRST de la NASA
L’exploration de la nature de l’énergie sombre est l’une des principales raisons pour lesquelles la NASA construit le Wide Field Infrared Survey Telescope (WFIRST), un télescope spatial dont les mesures aideront à mettre en lumière les mystères de l’énergie sombre. Avec une meilleure compréhension de l’énergie sombre, nous aurons une meilleure idée de l’évolution passée et future de l’Univers.
Sources : NASA
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