L'énergie noire est un composant mystérieux de l'Univers qui provoque l'accélération de son expansion. Bien qu'elle constitue la majeure partie de la densité d'énergie totale de l'Univers, sa nature exacte reste l'une des plus grandes questions non résolues en physique et en cosmologie modernes. Depuis sa découverte à la fin des années 1990, grâce à l'observation de supernovas lointaines, l'énergie noire a transformé notre compréhension de l'évolution cosmique et a stimulé des recherches intensives tant théoriques qu'observationnelles.
Dans cet article, nous examinerons :
- Contexte historique et constante cosmologique
- Preuves issues des supernovas de type Ia
- Papildomus metodus: KMF ir stambiąją struktūrą
- Tamsiosios energijos prigimtį: ΛCDM ir alternatyvas
- Discordances d'observation et débats actuels
- Perspectives futures et expériences
- Conclusions finales
1. Contexte historique et constante cosmologique
1.1 « Plus grande erreur » d'Einstein
En 1917, peu après la création de la Théorie générale de la relativité, Albert Einstein a introduit dans ses équations de champ [1] ce qu'on appelle la constante cosmologique (Λ). À cette époque, on croyait en un Univers statique et éternel. Einstein a ajouté Λ pour équilibrer la force gravitationnelle à l'échelle cosmique et ainsi garantir une solution statique. Cependant, en 1929, Edwin Hubble a montré que les galaxies s'éloignent de nous, ce qui signifiait un Univers en expansion. Plus tard, Einstein, pensant que Λ n'était plus nécessaire pour un Univers en expansion, l'a qualifiée de sa « plus grande erreur ».
1.2 Premiers indices d'une Λ non nulle
Malgré le regret d'Einstein, l'idée d'une constante cosmologique non nulle n'a pas été oubliée. Dans les décennies suivantes, les physiciens l'ont envisagée dans le contexte de la théorie quantique des champs, où l'énergie du vide peut contribuer à la densité d'énergie de l'espace lui-même. Cependant, jusqu'à la fin du XXe siècle, il n'y avait pas de base observationnelle solide pour penser que l'expansion de l'Univers s'accélérait. Ainsi, Λ est restée une possibilité intrigante plutôt qu'un phénomène fermement établi.
2. Preuves issues des supernovas de type Ia
2.1 Univers en accélération (années 1990)
À la fin des années 1990, deux groupes indépendants — le High-Z Supernova Search Team et le Supernova Cosmology Project — ont mesuré les distances des supernovas lointaines de type Ia. Ces supernovas sont considérées comme des « chandelles standard » (plus précisément, des chandelles standardisées), car leur luminosité intrinsèque peut être déterminée à partir de leurs courbes de lumière.
Les scientifiques s'attendaient à ce que l'expansion de l'Univers ralentisse sous l'effet de la gravité. Cependant, il s'est avéré que les supernovas lointaines sont plus faibles que prévu — ce qui signifie qu'elles sont plus éloignées que ce que prédisait le modèle de ralentissement. Conclusion stupéfiante : l'expansion de l'Univers s'accélère [2, 3].
Conclusion principale : Il doit exister une force « antigravitationnelle » répulsive qui surmonte le ralentissement cosmique — aujourd'hui largement appelée énergie noire.
2.2 Reconnaissance par le prix Nobel
Ces découvertes, qui ont changé notre compréhension de l'Univers, ont conduit à ce que le prix Nobel de physique 2011 soit attribué à Saul Perlmutter, Brian Schmidt et Adam Riess pour la découverte de l'accélération de l'Univers. Ainsi, l'énergie noire est passée d'une hypothèse théorique à un composant essentiel du modèle cosmologique en relativement peu de temps.
3. Méthodes supplémentaires : FDC et structure à grande échelle
3.1 Fond diffus cosmologique (FDC)
Peu après la découverte des supernovas, des expériences avec des ballons-sondes telles que BOOMERanG et MAXIMA, puis les missions satellitaires WMAP et Planck, ont fourni des mesures très précises du fond diffus cosmologique (FDC). Les données de ces observations montrent que l'Univers est presque spatialement plat, c’est-à-dire que le paramètre de densité d'énergie total Ω ≈ 1. Cependant, la matière baryonique et la matière noire ne constituent qu'environ Ωm ≈ 0,3.
Implication : Lorsque Ωtotal = 1, il doit encore y avoir un composant remplissant la partie restante — l'énergie noire, constituant environ ΩΛ ≈ 0,7 [4, 5].
3.2 Oscillations acoustiques baryoniques (BAO)
Les oscillations acoustiques baryoniques (BAO) dans la distribution des galaxies constituent une autre méthode indépendante pour étudier l'expansion de l'Univers. En comparant l'échelle observée de ces « ondes sonores » dans la grande structure à différents décalages vers le rouge, les astronomes peuvent reconstruire l'évolution de l'expansion dans le temps. De grandes enquêtes du ciel comme SDSS (Sloan Digital Sky Survey) et eBOSS confirment les conclusions des supernovas et du CMB : l'énergie noire domine l'Univers, favorisant une expansion accélérée à l'époque récente [6].
4. Nature de l'énergie noire : ΛCDM et alternatives
4.1 Constante cosmologique
Le modèle le plus simple d'énergie noire est la constante cosmologique Λ. Dans ce modèle, l'énergie noire est une densité d'énergie constante remplissant tout l'espace. Cela conduit à un paramètre d'équation d'état w = p/ρ = −1, où p est la pression et ρ la densité d'énergie. Ce composant provoque naturellement une expansion accélérée. Le modèle ΛCDM (Lambda Cold Dark Matter) est le modèle cosmologique dominant combinant matière noire froide (CDM) et énergie noire (Λ).
4.2 Énergie noire dynamique
Malgré son succès, Λ pose aussi de nombreuses difficultés théoriques, notamment le problème de la constante cosmologique, où la théorie quantique des champs prédit une densité d'énergie du vide bien plus grande que celle observée. Cela a conduit à envisager des théories alternatives :
- Kvintesencija (Quintessence) : champ scalaire roulant lentement dont la densité d'énergie varie avec le temps.
- Fantominė energija (Phantom Energy) : champ avec w < −1.
- k-essence (k-essence) : généralisation de la quintessence avec des termes cinétiques non canoniques.
4.3 Gravité modifiée
Certains scientifiques, au lieu de reconnaître un nouveau composant d'énergie, proposent de modifier la gravité à grande échelle, par exemple en appliquant les théories f(R), les modèles de branes DGP ou d'autres extensions de la théorie de la relativité générale. Bien que ces modèles puissent parfois imiter l'effet de l'énergie noire, ils doivent aussi satisfaire aux tests rigoureux de la gravité à l'échelle locale ainsi qu'aux données sur la formation des structures, la lentille gravitationnelle et d'autres observations.
5. Désaccords observationnels et débats actuels
5.1 Tension de la constante de Hubble
Avec l'amélioration des méthodes de mesure de la constante de Hubble (H0), un désaccord est apparu. Selon les données du satellite Planck (extrapolées du CMB selon ΛCDM), H0 ≈ 67,4 ± 0,5 km s−1 Mpc−1, tandis que les méthodes de mesure locales (en anglais distance ladder) comme le projet SH0ES donnent H0 ≈ 73. Ce désaccord d'environ 5σ pourrait indiquer une nouvelle physique dans le secteur de l'énergie noire ou d'autres subtilités non incluses dans le modèle standard [7].
5.2 Effet de cisaillement cosmique et croissance des structures
Les études de lentille gravitationnelle faible (en anglais weak lensing), destinées à étudier la structure à grande échelle de l'Univers, montrent parfois de légères déviations par rapport aux prévisions ΛCDM obtenues à partir des paramètres KMF. Bien que ces déviations ne soient pas aussi marquées que la tension de la constante de Hubble, elles encouragent néanmoins à envisager une possible correction de la physique de l'énergie noire ou des neutrinos ainsi qu'une systématique dans l'analyse des données.
6. Perspectives et expériences futures
6.1 Projets spatiaux futurs
Euclid (ESA) : destiné à effectuer des mesures à grande échelle des formes et spectres des galaxies, afin de mieux contraindre l'équation d'état de l'énergie noire et la formation de la structure à grande échelle.
Télescope spatial Nancy Grace Roman (NASA) : il réalisera une imagerie et une spectroscopie à large champ, étudiant les BAO et la lentille gravitationnelle faible avec une précision sans précédent.
6.2 Recherches au sol
Vera C. Rubin observatorija (Legacy Survey of Space and Time, LSST) : il établira une carte de milliards de galaxies, mesurera les signaux de lentille faible et les indicateurs de supernovas jusqu'à une profondeur inégalée.
DESI (Dark Energy Spectroscopic Instrument) : il enregistrera des mesures extrêmement précises des décalages vers le rouge de millions de galaxies et de quasars.
6.3 Ruptures théoriques
Les physiciens approfondissent les modèles d'énergie noire — en particulier les théories de type quintessence, qui permettent un w(z) variable. Les tentatives d'unifier la gravitation et la mécanique quantique (théorie des cordes, gravité quantique à boucles, etc.) peuvent aider à mieux comprendre l'énergie du vide. Toute déviation incontestable de w = −1 constituerait une découverte majeure, témoignant de lois fondamentales de la physique véritablement nouvelles.
7. Pensées finales
Plus de 70 % de l'énergie de l'Univers semble être constituée par l'énergie noire, mais nous n'avons pas encore de réponse définitive sur ce que c'est. De la constante cosmologique d'Einstein aux résultats stupéfiants des supernovas de 1998 et aux mesures précises et continues de la structure cosmique, l'énergie noire est devenue une composante essentielle de la cosmologie du XXIe siècle et une porte potentielle vers des découvertes révolutionnaires en physique.
Les efforts pour comprendre l'énergie noire illustrent parfaitement comment la précision des observations les plus récentes et les perspectives théoriques s'entrelacent. Dès que les nouveaux télescopes et expériences commenceront à fournir des données encore plus détaillées — des supernovas toujours plus lointaines aux cartes détaillées des galaxies et aux mesures KMF particulièrement précises — la science se trouvera au seuil de découvertes nouvelles et significatives. Que la réponse soit une simple constante cosmologique, un champ scalaire dynamique ou une gravitation modifiée, résoudre l'énigme de l'énergie noire changera irréversiblement notre compréhension de l'Univers et de la nature fondamentale de l'espace-temps.
Liens et lectures complémentaires
Einstein, A. (1917). “Kosmologische Betrachtungen zur allgemeinen Relativitätstheorie.” Sitzungsberichte der Königlich Preußischen Akademie der Wissenschaften, 142–152.
Riess, A. G., et al. (1998). “Observational Evidence from Supernovae for an Accelerating Universe and a Cosmological Constant.” The Astronomical Journal, 116, 1009–1038.
Perlmutter, S., et al. (1999). “Measurements of Ω and Λ from 42 High-Redshift Supernovae.” The Astrophysical Journal, 517, 565–586.
de Bernardis, P., et al. (2000). “A Flat Universe from High-Resolution Maps of the Cosmic Microwave Background Radiation.” Nature, 404, 955–959.
Spergel, D. N., et al. (2003). “First-Year Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP) Observations: Determination of Cosmological Parameters.” The Astrophysical Journal Supplement Series, 148, 175–194.
Eisenstein, D. J., et al. (2005). “Detection of the Baryon Acoustic Peak in the Large-Scale Correlation Function of SDSS Luminous Red Galaxies.” The Astrophysical Journal, 633, 560–574.
Riess, A. G., et al. (2019). “Large Magellanic Cloud Cepheid Standards Provide a 1% Foundation for the Determination of the Hubble Constant and Stronger Evidence for Physics beyond ΛCDM.” The Astrophysical Journal, 876, 85.
Sources supplémentaires
Frieman, J. A., Turner, M. S., & Huterer, D. (2008). “Dark Energy and the Accelerating Universe.” Annual Review of Astronomy and Astrophysics, 46, 385–432.
Weinberg, S. (1989). “The Cosmological Constant Problem.” Reviews of Modern Physics, 61, 1–23.
Carroll, S. M. (2001). “The Cosmological Constant.” Living Reviews in Relativity, 4, 1.
De la mesure du fond diffus cosmologique micro-ondes aux observations des supernovas de type Ia et aux catalogues des décalages vers le rouge des galaxies, il existe de nombreuses preuves de l'existence de l'énergie noire. Pourtant, des questions fondamentales — par exemple, son origine, si elle est réellement constante et comment elle s'accorde avec la théorie quantique de la gravité — restent sans réponse. La résolution de ces énigmes pourrait ouvrir de nouvelles voies en physique théorique et offrir une compréhension plus profonde de l'Univers.