Matière noire et énergie noire : quand ont-elles été créées ?

La matière noire et l’énergie noire sont deux des énigmes les plus importantes de la cosmologie moderne. Dominant l’Univers, ces deux composantes cosmiques échappent encore aux scientifiques. Si ces derniers s’interrogent sur leur nature, leur origine fait, elle aussi, l’objet de recherches actives.

Les différentes missions d’observation menées ces dernières années ont permis d’estimer que la matière noire représente environ 27% de la densité d’énergie totale de l’univers, et l’énergie noire 68%. Toutefois, ces deux composantes cosmiques demeurent hypothétiques et échappent encore aux instruments des scientifiques. Si la question de leur nature est au premier plan, celle de leur origine s’avère également essentielle.

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Même si il existe encore très peu d’informations concernant ces deux éléments insaisissables, cela ne signifie pas pour autant que les cosmologistes en ignorent absolument tout. Les modèles théoriques, complétés par certaines observations, montrent par exemple que l’effet de l’énergie noire sur l’expansion de l’Univers n’a commencé à être important qu’il y a entre 6 et 9 milliards d’années.

L’énergie noire semble affecter l’expansion dans toutes les directions, posséder une densité d’énergie constante et être homogène. Sans l’hypothèse de l’énergie noire, il apparaît aujourd’hui difficile de rendre compte de l’accélération de l’expansion de l’Univers observée en 1998.

La matière noire, quant à elle, semble montrer ses effets depuis 13.8 milliards d’années. La structure cosmique qu’elle forme requiert une abondance cinq fois plus importante que la matière baryonique.

Contrairement à l’énergie noire, la matière noire interagit avec la gravitation et joue un rôle dans la formation des quasars, des galaxies, et des grands nuages de gaz peuplant le cosmos. Selon le modèle standard de la cosmologie (modèle L-CDM), elle serait présente sous formes de halos et de filaments galactiques. Les empreintes gravitationnelles primitives de la matière noire peuvent être observées dans la structure du fond diffus cosmologique.

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Bien que des traces et des indices de ces deux composantes puissent être retrouvés tout au long de l’histoire de l’Univers, cela ne signifie pas pour autant qu’elles aient nécessairement été créées lors du Big Bang. Rechercher l’origine exacte de la matière et l’énergie noire est d’autant plus difficile que, à certaines époques de l’Univers, les effets de celles-ci ont pu être occultés par d’autres phénomènes d’intensité plus importante.

Une énergie noire constante mais négligeable dans l’Univers jeune

Cela est particulièrement vrai pour l’énergie noire. Tandis que l’Univers se dilate sous l’effet de l’expansion, son volume augmente mais le nombre de particules reste constant ; la densité de matière baryonique et de matière noire diminue donc progressivement, elle est diluée par l’expansion. Quant au rayonnement, sa densité chute encore plus rapidement car la longueur d’onde des photons est étirée par la dilatation de l’espace (redshift). La densité d’énergie noire quant à elle, demeure constante.

Aujourd’hui, l’Univers est dominé par l’énergie noire. Mais dans le passé, l’Univers était plus petit et plus dense, les densités de matière et de rayonnement étaient donc plus importantes. Il y a environ 6 milliards d’années, les densité de matière et d’énergie noire étaient identiques.

En remontant plus loin, il y a environ 9 milliards d’années, la contribution de l’énergie noire à la densité d’énergie de l’Univers est très faible, ses effets sont négligeables et il devient donc difficile de reconstituer sa dynamique.

Les observations actuelles révèlent une densité d’énergie noire absolument constante. L’équation d’état de l’énergie noire, contrainte par l’observation de l’oscillation acoustique des baryons, montre que la quantité associée à l’énergie noire est constante. Cependant, cela ne signifie pas que cette densité d’énergie est constante depuis toujours. Elle a pu changer au cours du temps, dès lors que cette modification s’est opérée avec la variation des autres paramètres cosmologiques.

L’énergie noire pourrait ainsi exister depuis la période inflationnaire ayant pris place quelques instants après le Big Bang, à l’issue de l’ère de Planck. C’est l’hypothèse proposée par le modèle de la quintessence.

Mais l’énergie noire pourrait également tout aussi bien n’avoir émergé que bien plus tard dans l’histoire de l’Univers. Actuellement, aucune observation ne permet de statuer sur la présence ou l’absence d’énergie noire durant les 4 premiers milliards d’années de l’Univers.

Une matière noire présente tout au long de l’histoire de l’Univers

La période d’apparition de la matière noire est toutefois mieux contrainte. Le schéma des fluctuations observées dans le fond diffus cosmologique constitue l’indice le plus ancien de la présence de matière noire, 380’000 ans après le Big Bang.

L’amplitude angulaire de ces fluctuations montre un ratio de 5 pour 1 en faveur de la matière noire par rapport à la matière ordinaire. Dans le modèle L-CDM, la matière noire constitue le ciment cosmique permettant la formation des grandes structures depuis l’Univers jeune.

Toutefois, là non plus, cela n’indique pas nécessairement une création de la matière noire au moment du Big Bang. Plusieurs hypothèses post-Big Bang existent à ce sujet. Elle aurait pu être créée par les interactions de très haute énergie à l’issue de l’inflation ; par la désintégration de particules ultra-énergétiques dans le cadre d’une théorie de grande unification (GUT) ; par la brisure spontanée d’une symétrie quelconque comme le propose le modèle de Peccei-Quinn ; par l’oscillation de neutrinos stériles massifs.

La méconnaissance de la nature exacte de la matière noire rend impossible la détermination certaine de son origine. Néanmoins, les diverses observations montrent que celle-ci existe depuis, au moins, les tout premiers instants de l’Univers.

L’énergie noire ayant pu apparaître au même moment, ou après. Certaines hypothèses avancent que l’énergie sombre n’apparaît que quand les grandes structures cosmiques sont déjà formées, impliquant une émergence post-matière noire.

La matière noire est donc réputée exister et agir depuis les tout premiers instants de l’Univers, si ce n’est lors du Big Bang lui-même. Tandis que l’énergie noire est également réputée exister depuis le début, mais n’a commencé à montrer ses effets que plus tard dans l’histoire de l’Univers. Dans tous les cas, ces questions seront les prochains grands défis de la cosmologie.