Qu’est-ce que la constante cosmologique ?

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Incluse dans le modèle cosmologique standard, la théorie de la relativité générale d’Einstein (et ses solutions) est le cadre permettant aujourd’hui de décrire les paramètres et l’évolution de l’Univers. Cependant, Einstein n’a pas toujours adhéré à l’idée d’un univers dynamique. C’est pourquoi, deux ans après avoir publié sa théorie, il y ajoute une constante cosmologique permettant d’obtenir un univers statique. Quelques années plus tard, les astronomes Lemaître et Hubble prouveront qu’il avait tort. Bien qu’il s’agisse d’un paramètre introduit de manière ad hoc, la constante cosmologique est revenue sur le devant de la scène avec la découverte de l’accélération de l’expansion en 1998.

Albert Einstein a introduit la constante cosmologique, qu’il a appelée la « constante universelle », en 1917, comme un moyen d’équilibrer certains calculs dans sa théorie de la relativité générale. À l’époque, les physiciens pensaient que l’Univers était statique — ni en expansion ni en contraction —, mais les travaux d’Einstein suggéraient que la gravité conférait invariablement une dynamique à l’Univers.

Ainsi, pour s’accorder avec sa propre vision de l’Univers (qui était aussi celle du consensus scientifique), Einstein a inséré un facteur ad hoc, désigné par la lettre grecque lambda (Λ), dans ses résultats, maintenant le cosmos immobile. Pourtant, un peu plus d’une décennie plus tard, l’astronome américain Edwin Hubble a remarqué que les galaxies s’éloignaient de nous, indiquant que l’Univers était en expansion. Einstein a décrit, par la suite, lambda comme sa « plus grande erreur ».

equation einstein
Einstein publie ses travaux sur la relativité générale en 1915. En 1917, il modifie son équation pour y incorporer la constante cosmologique « Λ » afin de contrecarrer la gravité et d’obtenir un univers stationnaire. Aujourd’hui, la constante cosmologique revient sur le devant de la scène comme candidate possible à l’énergie noire. Crédits : Wikimédia

Accélération de l’expansion : le retour de la constante cosmologique

Les observations de Hubble ont nié le besoin d’une constante cosmologique pendant des décennies, mais cela a changé lorsque les astronomes examinant des supernovas éloignées à la fin des années 1990 ont découvert que le cosmos était non seulement en expansion, mais que celle-ci accélérait. Ils ont nommé cette mystérieuse force « énergie noire ».

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Dans les années 1920, le physicien russe Alexander Friedmann a développé une équation, maintenant appelée équation de Friedmann, qui décrit les propriétés et l’évolution de l’Univers à partir du Big Bang. En réutilisant la constante d’Einstein et en l’introduisant dans les équations de Friedmann, les chercheurs ont pu modéliser correctement le cosmos — c’est-à-dire avec un taux d’expansion accéléré.

Cette version de l’équation de Friedmann forme maintenant l’épine dorsale de la théorie cosmologique contemporaine, connue sous le nom de modèle cosmologique standard ΛCDM (Lambda CDM, où CDM signifie matière noire froide), basé sur la métrique FLRW (Friedmann-Lemaître-Robertson-Walker).

La nature inconnue de la constante cosmologique

Cependant, aujourd’hui, la nature de lambda est incertaine. La plupart des physiciens la considèrent comme interchangeable avec le concept d’énergie noire, mais cela n’apporte pas plus de précisions sur la question, la nature de l’énergie noire étant elle aussi inconnue. Une explication potentielle de la constante cosmologique réside dans le domaine de la physique des particules moderne.

effet casimir fluctuations quantiques
L’effet Casimir est une force attractive apparaissant entre deux plaques parallèles non chargées. Il résulte de l’existence de fluctuations quantiques du vide poussant les plaques l’une contre l’autre, la densité d’énergie entre les plaques étant plus basse qu’à l’extérieur. Crédits : Byjus

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Des expériences ont confirmé (notamment via l’effet Casimir) que l’espace vide est imprégné par d’innombrables particules virtuelles qui surgissent et disparaissent constamment. Cette action incessante crée ce que l’on appelle une « énergie du vide », inhérente au tissu de l’espace-temps. Mais relier l’énergie du vide à la constante cosmologique n’est pas simple. Sur la base de leurs observations de supernovas, les astronomes estiment que l’énergie noire devrait avoir une valeur faible et modérée, juste assez pour éloigner tout ce qui se trouve dans l’Univers pendant des milliards d’années.

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Pourtant, lorsque les cosmologistes essaient de calculer la quantité d’énergie qui devrait provenir du mouvement des particules virtuelles, ils arrivent à un résultat de 120 ordres de grandeur supérieur à ce que suggèrent les données des supernovas. Pour ajouter un élément à l’énigme, certains chercheurs ont proposé que la constante cosmologique ne soit pas du tout une constante, mais qu’elle change ou fluctue avec le temps. Cette théorie s’appelle « la quintessence », et certains projets comme le Dark Energy Survey, font actuellement des observations précises pour en trouver des indices.

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