Énergie noire: Quand l’Univers échappe à sa propre gravité

Découverte de l’accélération cosmique

En 1998, deux équipes indépendantes dirigées par Saul Perlmutter (1959-), Brian P. Schmidt (1967-) et Adam Riess (1969-) ont découvert, grâce à l’étude des supernovae de type Ia, que l’expansion de l’Univers ne ralentissait pas sous l’effet de la gravitation comme on le pensait, mais au contraire s’accélérait. Pour expliquer cette observation, les cosmologistes ont introduit la notion d’énergie noire, une composante mystérieuse représentant environ 70 % du contenu énergétique total de l’Univers.

Nature hypothétique de l’énergie noire

L’énergie noire est parfois assimilée à une constante cosmologique \(\Lambda\), terme ajouté aux équations d’Einstein de la relativité générale (1915). Elle peut être interprétée comme une propriété intrinsèque du vide quantique (vide quantique: état d'énergie minimale de la théorie quantique des champs), ou comme une forme de champ scalaire dynamique (quintessence). Sa pression négative exercerait une répulsion gravitationnelle, ce qui provoquerait l’accélération de l’expansion. Cependant, son origine physique reste inconnue.

Équations cosmologiques

Dans le cadre du modèle de Friedmann-Lemaître-Robertson-Walker, l’équation de l’expansion s’écrit: \(\;H^2 = \frac{8\pi G}{3}\rho - \frac{k}{a^2} + \frac{\Lambda}{3}\;\) où \(H\) est la constante de Hubble, \(\rho\) la densité totale de matière-énergie, \(k\) la courbure spatiale et \(\Lambda\) la constante cosmologique. Un terme \(\Lambda >0\) engendre une expansion accélérée.

Extension accélérée et hypothèses multivers

Certaines théories cosmologiques avancent l’existence d’un multivers (multivers: ensemble hypothétique d’univers distincts), où notre Univers ne serait qu’une bulle parmi d’autres. Dans ce cadre, il a été suggéré que l’expansion accélérée pourrait résulter non seulement d’une énergie noire intrinsèque, mais également d’interactions gravitationnelles ou de flux d’énergie entre univers voisins.

Selon ces modèles, chaque univers posséderait ses propres constantes physiques et densité d’énergie. Les forces gravitationnelles exercées par des univers voisins pourraient induire un effet apparent de répulsion ou d’accélération de l’expansion de notre bulle cosmique. Cette hypothèse demeure spéculative et difficilement testable avec les observations actuelles, mais elle offre une alternative aux modèles standards basés uniquement sur la constante cosmologique \(\Lambda\).

Des travaux théoriques utilisant la théorie des cordes et des branes suggèrent que des fluctuations dans le vide quantique ou des variations de tension des membranes universelles pourraient influencer l’expansion de notre Univers observable. Ces idées ont été discutées notamment par Lisa Randall (1962-) et Juan Maldacena (1968-) dans le contexte des modèles braniques.

N.B. :
La théorie des cordes propose que les particules fondamentales sont des cordes vibrantes dans un espace à 10 ou 11 dimensions. Chaque configuration possible des dimensions supplémentaires (variétés de Calabi-Yau) définit un "vide" avec ses propres constantes physiques. Cette multitude de solutions possibles est appelée le paysage (landscape: ensemble des solutions possibles de la théorie des cordes), et elle conduit naturellement à l’idée d’un multivers (multivers: ensemble hypothétique d’univers distincts): notre univers ne serait alors qu’une bulle parmi un ensemble d’univers aux propriétés physiques différentes.

Comparaison avec d’autres composantes de l’Univers

L’énergie noire domine aujourd’hui l’évolution cosmologique, devant la matière noire et la matière ordinaire. Ce déséquilibre s’est instauré il y a environ 5 milliards d’années, lorsque la densité de matière a diminué au point de devenir inférieure à celle de l’énergie noire.

• Sources: NASA WMAP (nouvelle fenêtre), ESA Planck Mission (nouvelle fenêtre), Prix Nobel de Physique 2011 (nouvelle fenêtre).

N.B. :
L’énergie noire reste une hypothèse cosmologique. Elle n’est pas observée directement mais déduite des effets dynamiques sur l’expansion.