Expansion accélérée de l'Univers

En 1927-29, Edwin Hubble (1889-1953) et Georges Lemaitre (1894-1966) observe que l'Univers est en expansion. Toutes les galaxies s'éloignent de nous et les galaxies lointaines s'éloignent plus vite de nous que les galaxies proches. Cette observation-là, signifie que l'espace grandit. Tout se passe comme si l'Univers grandissait de l'intérieur !

Cela suffit pour dire que notre Univers est en expansion car si c'était les galaxies qui se déplaçaient on ne pourrait pas expliquer cette observation.

L'expansion de l'Univers est donc un phénomène assez troublant, car les galaxies sans bouger, s'éloignent les unes des autres et il n'y a aucune contradiction à cette observation. Depuis les années 1990, les observations ont montré de manière convaincante que l'expansion de l'univers s'accélère, plutôt que de ralentir comme on pourrait s'y attendre en raison de l'attraction gravitationnelle entre les galaxies. Les données recueillies à partir de diverses méthodes d'observation, notamment les supernovæ, les rayons cosmiques et les oscillations acoustiques baryoniques (BAO), ont toutes confirmé ce résultat. On connait même la vitesse d'expansion accélérée qui est de 72 km/s/Mpc. La relativité générale prédit que l'expansion doit ralentir au cours du temps car la matière à tendance à freiner l'expansion. Ce qui veut dire que dans le passé la vitesse devait être plus rapide qu'aujourd'hui. Une autre bizarrerie est que cette vitesse mesurée au cours du temps ne correspond pas aux prédictions. La vitesse d'expansion s'agrandit au cours du temps. Elle était plus petite dans le passé qu'elle est aujourd'hui. Plus précisément, durant les 8 premiers milliards d'années de l'évolution de l'Univers, la vitesse d'expansion décroit au cours du temps comme prévu puis soudainement elle accélère.

Quel est donc le moteur de cette accélération qui a démarré il y a 5 milliards d'années ?

Les scientifiques depuis plus de 20 ans ont élaboré de nombreuses théories. Cependant, malgré les nombreuses théories qui tentent d'expliquer cette bizarrerie on ne sait toujours pas quel est le phénomène responsable de l'expansion accélérée de l'Univers. On classe les théories dans deux catégories différentes, celles de l'énergie sombre et celles de la gravitation modifiée.

La principale hypothèse pour expliquer cette accélération est l'existence d'une énergie sombre. Contrairement à la matière ordinaire, cette forme d'énergie ne doit pas se diluer dans un volume grandissant au cours du temps mais rester uniformément répartie dans tout l'univers. Quand l'Univers croit la quantité d'énergie sombre doit croitre aussi proportionnellement. Quand la quantité d'énergie sombre croit l'univers grandit et donc il y a plus d'énergie sombre. Ce cycle oblige l'Univers à s'étendre de plus en plus rapidement !

L'une des hypothèses les plus populaires est que l'énergie sombre est simplement une constante cosmologique, une forme d'énergie dont la densité reste constante dans le temps et dans tout l'univers. L'énergie sombre représente près de 70 % de toute la densité d'énergie de l'univers. Cela fait beaucoup mais en bricolant la constante cosmologique c'est-à-dire en lui donnant la bonne valeur, on peut obtenir un Univers qui commence à s'accélérer 8 premiers milliards d'années après le Big Bang. Cependant, cela n'est pas satisfaisant. La nature de l'énergie sombre est encore largement inconnue. Dans la catégories expliquant l'énergie sombre on trouve les théories de Gauss-Bonnet, Brans-Dicke, Einstein-Aether, Bigravity, Cascading gravity, The Fab Four, Galileon, Massive gravity, Randall-Sundrum, etc.

Une autre hypothèse est que l'accélération de l'expansion de l'univers peut être expliquée par une modification de la gravité à très grande échelle. Cette théorie propose que la gravité ne suit pas exactement les lois de Newton à de très grandes échelles, et que cela peut expliquer l'accélération de l'expansion de l'univers.

En effet la relativité générale a été énormement testée et validée mais jamais à une très grande échelle, celle de l'Univers tout entier. Dans cette catégories de la gravitation modifiée on trouve les théories de Quintessence, K-essence, Phantom dark energy, Coupled quintessence, Cosmological constant, Chaplygin gas, etc.

En fin de compte, nous ne connaissons pas encore la véritable nature de l'énergie sombre et de l'accélération de l'expansion de l'univers. Les physiciens tentent de tester ces deux paradigmes capables d'expliquer les observations, celui de l'énergie sombre et celui de la gravitation modifiée. Cela permettrait d'éliminer un groupe de théories. Les missions Euclid ou SKA vont aider à trancher entre ces deux groupes de théories.

La professeure Camille Bonvin, professeur à l'University de Genève, a mis au point une méthode pour tester ces deux paradigmes. Elle consiste à comparer la distorsion du temps et la distorsion de l'espace, générées par les galaxies et amas présents dans l'Univers. La relativité générale d'Einstein prédit que ces deux distorsions sont égales, contrairement aux théories alternatives de la gravitation dans lesquelles, généralement, ces distorsions diffèrent.

Tester la validité, aux confins de l’Univers, de la théorie d’Einstein est sans conteste l’un des grands enjeux de la cosmologie de demain.