Une équipe de physiciens de l’Université de Vancouver propose une nouvelle explication à l’accélération de l’expansion de l’Univers sans recourir au concept d’énergie sombre.

Dans une étude publiée le 11 mai 2017 dans le journal Physical Review D sous le titre « How the huge energy of quantum vacuum gravitates to drive the slow accelerating expansion of the Universe », les doctorants Qingdi Wang, Zhen Zhu, et le célèbre physicien William G. Unruh de l’Université de Vancouver proposent une nouvelle explication à l’accélération de l’expansion de l’Univers, sans recourir au concept d’énergie sombre.

C’est en 1998 que Saul Perlmutter et Adam Riess publient les premières observations (c.f source 2) démontrant, via l’analyse des distances de luminosité et du décalage vers le rouge de différentes supernovas de type Ia, que l’univers est en expansion accélérée (la vitesse d’expansion augmentant avec la distance). Dans les années suivantes, plusieurs missions d’observation ont été conduites afin de déterminer le taux d’expansion de l’Univers.

Celui-ci est défini par la constante de Hubble, notée H0. De 2001 à 2016, cette constante n’a cessé d’être redéfinie, s’accordant avec la précision toujours plus accrue des instruments de mesure. En 2016, les données issues de la collaboration H0LiCOW (c.f source 2) donnent une valeur pour H0 de 71,9 km/s/Mpc (kilomètres par secondes par mégaparsecs), en accord avec la valeur relevée par la mission WMAP.

valeurs ho objets celestes

Valeurs mesurées de Ho à partir de différents objets célestes et méthodes. Crédits : CALTECH

A la suite de cette découverte, des modèles théoriques ont été élaborés dans l’objectif d’expliquer cette accélération. Les physiciens ont notamment postulé l’existence d’un phénomène répulsif à grande échelle sous la forme d’une énergie de nature inconnue représentant ~68% de la densité d’énergie totale de l’univers : l’énergie sombre. Diverses hypothèses ont alors été émises pour expliquer la nature de cette énergie. La première fait intervenir la constante cosmologique d’Einstein, initialement introduite dans les équations de la relativité générale pour contrebalancer l’effet de la gravité et obtenir un univers stationnaire ; cette constante cosmologique ne serait autre que la densité d’énergie du vide quantique dans le modèle cosmologique ΛCDM.

Cependant, la valeur de l’énergie du vide calculée au moyen de la théorie quantique des champs donne une valeur 10120 fois supérieure à la valeur attendue correspondant avec les observations actuelles. Cela oblige donc à effectuer un ajustement fin, c’est-à-dire à régler la valeur de la constante cosmologique arbitrairement afin de la rendre compatible avec notre univers. D’autres modèles font, quant à eux, intervenir de nouveaux champs physiques (quintessence, la k-essences, etc.) ou modifient directement la gravité à divers degrés (gravité f(R), modèle branaire, etc.).

Dans cette publication, l’équipe menée par Unruh se débarrasse de l’énergie sombre et de ses nombreux problèmes en proposant un nouveau mécanisme redéfinissant la notion de constante cosmologique. L’équipe rappelle tout d’abord que, si l’espace-temps paraît calme en apparence, ce n’est pas le cas lorsqu’on l’observe à l’échelle microscopique (échelle de Planck).

Ainsi que l’affirme Wang « l’espace-temps n’est pas si statique que l’on croit, il bouge constamment ». En effet, avec le développement de la mécanique quantique et de la théorie quantique des champs, il est rapidement apparu aux physiciens que le vide quantique était en perpétuel mouvement, sa densité d’énergie fluctuant continuellement. Ce caractère dynamique du vide quantique a notamment été mis en évidence par l’effet Casimir, prédit par le physicien Hendrik Casimir en 1948.

Il ressort des calculs des physiciens que l’immense valeur théorique « problématique » de la densité d’énergie du vide donnée par la théorie quantique des champs devient en réalité une valeur correcte si l’on considère que l’énergie du vide ne fluctue pas seulement dans le temps mais également dans l’espace. En d’autres termes, les équations montrent que l’énergie du vide doit se soumettre au principe d’équivalence de la relativité générale.

Dès lors, cette valeur correspond à une accélération avec un taux d’expansion faible. En effet, dans le Modèle Standard de la cosmologie, le facteur d’échelle (variation de la distance entre deux objets célestes en fonction du temps, due à l’expansion), noté a(t), ne prend en compte que le paramètre « temps ». Toutefois, l’étude montre que si l’on modifie le facteur d’échelle pour qu’il prenne également en compte le paramètre « espace », noté a(t,x), alors la valeur calculée de la densité d’énergie du vide prend une valeur admissible.

Plus précisément, Unruh et ses collègues expliquent que la densité d’énergie du vide fluctue dans le temps et dans l’espace, c’est-à-dire que chaque point de l’espace présente une valeur d’énergie du vide différente d’un autre point quelconque. Mais ce n’est pas tout, car en chacun de ces points apparaît un mouvement de contraction/expansion cyclique lié à la fluctuation d’énergie. En d’autres mots, à l’échelle de Planck, chaque point de l’espace-temps oscille entre contraction et expansion avec une grande amplitude. Ce mouvement se compense pratiquement intégralement, mais par l’intermédiaire d’un mécanisme complexe, la résonance paramétrique faible. Au final, le mouvement d’expansion l’emporte de peu sur le mouvement de contraction.

Même si localement ce mouvement d’expansion apparaît négligeable, à l’échelle cosmologique chaque mouvement d’expansion de chaque point de l’espace s’ajoute jusqu’à donner un phénomène d’ensemble suffisamment important pour provoquer l’expansion de l’univers à un faible taux d’accélération.

Cette étude démontre donc le mécanisme par lequel des fluctuations d’énergie du vide d’amplitude extrêmement importante sont à l’origine d’une faible accélération de l’expansion de l’univers. Unruh conclue cela par l’analogie suivante « c’est similaire aux vagues sur un océan ; leur mouvement n’est pas ostensiblement affecté par le mouvement intense des atomes constituant l’eau sur laquelle elles se déplacent ».

VIDEO : l’expansion de l’Univers

Cette courte animation de la Royal Astronomical Society démontre l’expansion de l’univers selon :

  • Le Modèle cosmologique standard ΛCDM (Lambda – Matière Noire Froide, de l’anglais « Lambda – Cold Dark Matter »), qui inclut l’énergie sombre (en rouge, dans l’encadré situé en haut à gauche)
  • Le nouveau modèle Avera, qui prend en considération la structure de l’univers et élimine le besoin de l’énergie sombre (au milieu)
  • Et pour finir, le modèle cosmologique Einstein-de Sitter, qui n’est autre que le modèle original n’incluant pas l’énergie sombre (tout en haut à droite).

L’encadré du bas quant à lui révèle l’augmentation du « facteur d’échelle » (un indicateur de la taille) en fonction du temps. La croissance de la structure peut également être observée dans les schémas du haut. Notez que chaque point représente un amas de galaxies. Les schémas sont exprimés en Megaparsecs (Mpc), dont 1 Mpc équivaut à environ 3×1019 kilomètres.

Sources : Arxiv.org (1, 2 & 3)

4 Réponses

  1. François DELON

    Nouvelle approche très intéressante qui explique de manière plus « naturelle » l’expansion de l’univers. Et si je comprends bien il n’y a pas d' »accélération » de l’expansion localement, mais uniquement globalement du fait que tous les points de l’univers se repoussent peu à peu les uns des autres. Donc plus on « regarde » loin, plus ce que l’on voit semble s’éloigner vite de nous (donc expansion accélérée). Un truc me dérange, c’est que dans aucun des tous les articles que j’ai pu lire sur ce sujet on ne parle du facteur temps: lorsque l’on regarde « loin » ce qu’il se passe, ce que l’on voit est surtout « loin » de nous DANS LE TEMPS (des milliards d’années en arrière), et nous ne connaissons pas sa position actuelle avec une grande incertitude. On peut par exemple imaginer qu’avec le gonflement de l’espace (expansion), la force de répulsion des points de l’espace entre eux diminue. De toute façon il me paraît primordial de considérer que ce que nous voyons au plus loin n’est que ce qui s’est passé il y a très longtemps, et que plus notre point observé est « proche » (moins loin), moins il est loin dans le temps. Ce qui pourrait vouloir dire, d’une certaine manière, que l’expansion diminue avec le temps qui passe ! Et c’est logique si la « pression d’expansion » diminue avec l’éloignement des points de l’espace entre eux. Donc à distance l’espace grandit de plus en plus vite, mais dans le temps de moins en moins vite. Merci de me donner votre avis sur cette contradiction avec la doxa.
    cordialement
    FD

    Répondre
  2. François DELON

    Nouvelle approche très intéressante qui explique de manière plus « naturelle » l’expansion de l’univers. Et si je comprends bien il n’y a pas d' »accélération » de l’expansion localement, mais uniquement globalement du fait que tous les points de l’univers se repoussent peu à peu les uns des autres. Donc plus on « regarde » loin, plus ce que l’on voit semble s’éloigner vite de nous (donc expansion accélérée). Un truc me dérange, c’est que dans aucun des tous les articles que j’ai pu lire sur ce sujet on ne parle du facteur temps: lorsque l’on regarde « loin » ce qu’il se passe, ce que l’on voit est surtout « loin » de nous DANS LE TEMPS (des milliards d’années en arrière), et nous ne connaissons pas sa position actuelle avec certitude. On peut par exemple imaginer qu’avec le gonflement de l’espace (expansion), la force de répulsion des points de l’espace entre eux diminue. De toute façon il me paraît primordial de considérer que ce que nous voyons au plus loin n’est que ce qui s’est passé il y a très longtemps, et que plus notre point observé est « proche » (moins loin), moins il est loin dans le temps. Ce qui pourrait vouloir dire, d’une certaine manière, que l’expansion diminue avec le temps qui passe ! Et c’est logique si la « pression d’expansion » diminue avec l’éloignement des points de l’espace entre eux. Donc à distance l’espace grandit de plus en plus vite, mais dans le temps de moins en moins vite. Merci de me donner votre avis sur cette réflexion.
    cordialement
    FD

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  3. François DELON

    PS j’ai remis mon commentaire qui a malencontreusement disparu la 1ère fois. J’espère avoir plus de chance de réponse cette fois. Merci

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    • Lemonnier Francis

      Bonjour François

      Accélération de l’expansion localement…
      La gravitation à la capacité de rapprocher les corps célestes entre eux et l’expansion de les éloigner, pour deux corps donnés c’est soit la gravitation ou bien l’expansion qui s’exprime (l’équilibre ?) à notre échelle c’est la gravition qui domine, l’expansion est absente, parler d’accélération de l’expansion localement doit donc être sans objet.
      Par contre une forme d’énergie, que ce soit sous celle du vide quantique, de la constante cosmologique ou de l’énergie noire … est certainement présente à notre échelle.

      Si les points de l’univers se repoussaient peu à peu les uns des autres: à notre échelle où la gravitation domine il pourrait y avoir une expansion si minime soit-elle or cela ne semble pas être observée, la taille d’un atome ne change pas, il semble exister un seuil entre où la gravitation s’exprime encore et le point précis où l’expansion prends le relais, pour faire court, la théorie proposée ici constitue une fonction continue de l’infiniment petit à l’infiniment grand qui ne me semble pas respecter cette idée de seuil.
      Concilier la différence de facteur d’échelle (de mémoire 10 puissance 120) entre l’énergie du vide quantique et l’énergie du vide où l’accélération de l’expansion s’exprime est une nécessité et en ce sens je trouve aussi cette approche très intéressante.

      Facteur temps et espace: je reste aussi sur ma faim à la lecture de cet article, d’autant que l’expansion est déjà définie quantitativement par un taux, dont la constante de Hubble qui intègre en effet le paramètre temps avec l’expression en Km/s par Mégaparsec, les termes en km et en Mégaparsec font relation à l’espace, mais à un espace d’une seule dimension or notre Univers serait plat (2d) ou avec une courbure faible, mais l’espace dans lequel nous évoluons est à trois dimensions et ceci jusqu’à une échelle où l’expansion s’exprime très certainement comme le démontre le travail de cartographie en trois dimensions portant sur une arrête de 1.3 milliard d’années-lumière de côté soit près de dix pour cent du rayon de l’Univers observable (dans laquelle a été localisé notre hôte, Laniakea, super amas local intégrant le super amas de la Vierge) dans cet optique il ne me semble pas abusif d’intégrer l’espace à trois dimensions.
      Je suis probablement dans l’erreur en tentant d’interpréter ainsi cet article en intégrant le paramètre ‘’espace’’’ comme un espace à trois dimensions, l’idéal serait d’avoir accès la publication originale, mais là j’y renonce.

      Plus personnellement je déplore que la communauté n’intègre pas le paramètre qui fait l’objet d’un consensus avec le concept d’énergie constituant la cause de l’accélération car il me semble y avoir une jolie surprise à la clé:
      L’énergie s’exprime en Joule mais aussi dans le cadre de la relativité en Kg.
      L’accélération constitue une dérivée dans le temps, en transposant cette notion dans la partie littérale de la constante de Hubble nous obtenons une expression en Km/s²/Mégaparsec.
      Le terme en Mégaparsec permet de définir l’expansion avec cette constante dans l’absolu, associant donc une valeur numérique ce situant au environ de 70 à une parie littérale, oublions un instant cette notion d’absolu nécessaire à un développement quantitatif pour ne conserver que du qualitatif, ne conservant donc que l’expression en km/s²caractérisant l’accélération de l’expansion, l’unité SI étant le mètre soit aussi en m/s².
      J’ai tenté d’interpréter l’article ci-dessus en faisant intervenir l’expansion accélérée dans un espace à trois dimensions, en intégrant cette idée nous obtenons à présent une expression en m ³/s², en intégrant aussi la cause de l’accélération nous obtenons une expression en m ³/s²/kg.
      Cette expression caractérise la capacité qu’a une forme d’énergie assimilable à une masse unitaire ainsi qu’à une force fondamentale à générer une accélération de l’expansion, cette expression est identique à celle de la partie littérale de la constante de la gravitation, soit le terme en m ³.Kg-1. S-², la gravitation constituant une des quatre forces fondamentales.
      L’ancienne constante de la gravitation était exprimée en N.kg-².m² elle suggérait la capacité qu’a la matière mais avec une expression en ‘’kg- ²’’ à générer de la gravitation définie en Newton, cette expression était donc difficilement interprétable, la nouvelle constante de la gravitation me semble pas avoir ce défaut, elle suggère que la matière exprimée en Kg génère non seulement un accroissement de volume mais aussi une accélération de celui-ci or la gravitation se propage et agit dans l’espace elle devrait donc accélérer un accroissement de volume au niveau de l’espace , trop de coïncidence tu la coïncidence, l’interprétation la plus simple relevant du rasoir d’Ocklam serait de considérer que la matière conventionnelle générant la gravité génère aussi ce phénomène accélération de l’expansion.
      Noter que la formulation de la constante cosmologique est une nécessité dans l’établissement de la Relativité Générale, précisant qu’une énergie devait s’exprimer au niveau du vide de l’espace pour équilibrer la gravitation mais en aucun cas il n’est fait mention que cette énergie doit être aussi intrinsèque au vide.

      Tout aussi cordialement.

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