Dernière mise à jour: 17 décembre 2023

Théories alternatives à l'expansion accélérée de l'Univers

Qu'est-ce que le modèle standard ΛCDM ?

La grande majorité de l'Univers (≈70 %) est sous une forme inconnue.

Dans le cadre du modèle standard ΛCDM (Lambda Cold Dark Matter), l'expansion accélérée de l'univers est attribuée à une forme d'énergie sombre, généralement appelée énergie noire. Le modèle standard ΛCDM est le modèle cosmologique le plus accepté en 2023. Il décrit l'univers comme étant composé de 68 % d'énergie sombre, 27 % de matière noire et 5 % de matière ordinaire. L'énergie sombre est absolument partout.

Le modèle ΛCDM est compatible avec un large éventail d'observations, notamment la loi de Hubble, la distribution des galaxies et la composition de l'univers. Cependant, il pose certains problèmes théoriques, notamment la nature de l'énergie sombre et le fait qu'elle représente une fraction si importante de l'univers.

L'explication peut venir simplement de la constante cosmologique induite par la relativité générale qui aurait une valeur non nulle.
Cette constante Λ, rajouté par Albert Einstein à ses équations de la relativité générale (1915), en février 1917, explique cette expansion à condition qu'on lui donne une valeur bien précise.
Pour certains cosmologistes ce n'est pas satisfaisant, c'est pourquoi ils cherchent au-delà.

Il existe un grand nombre de théories alternatives ou extensions du modèle qui cherchent à expliquer cette accélération de manière différente.
Ces théories alternatives ont été proposées pour expliquer l'expansion de l'univers sans faire appel à l'énergie sombre. Elles peuvent être classées en deux catégories: celles qui modifient la composition de l'univers et celles qui modifient la théorie de la gravitation.

Les théories qui modifient la composition de l'univers

• La Quintessence postule l'existence d'un champ scalaire dynamique, appelé champ de quintessence, qui remplit l'univers d'une énergie qui évolue au fil du temps. Cette évolution peut entraîner des changements dans l'accélération de l'expansion de l'univers au cours des époques cosmiques.
• La K-essence implique l'existence d'un champ scalaire dynamique qui remplit l'univers. Contrairement à un champ scalaire avec une équation d'état simple (comme celui associé à un champ de quintessence), le champ K-essence peut avoir une équation d'état plus complexe.
• La Phantom dark energy reside dans une équation d'état "phantom" où la densité d'énergie noire augmente avec le temps, ce qui conduit à une accélération de l'expansion de l'univers qui devient de plus en plus rapide. Contrairement à l'énergie noire standard qui conduit à une expansion accélérée mais limitée, la "phantom dark energy" suggère une expansion qui devient infinie en un temps fini, ce qui peut avoir des implications intéressantes et spéculatives sur le destin ultime de l'univers.
• La Coupled Quintessence explique l'accélération de l'expansion de l'univers observée, en introduisant des degrés de liberté supplémentaires par rapport à la simple constante cosmologique Λ du modèle ΛCDM.
• La Chaplygin gas introduit une pression négative associée à l'équation d'état de Chaplygin. Elle pourrait conduire à une force répulsive, simulant ainsi l'effet de l'énergie noire.
• Janus est une théorie cosmologique proposée par le physicien Julian Barbour. L'idée clé est de considérer que le temps n'est pas une entité fondamentale, mais plutôt un concept émergent. Barbour propose que le temps que nous percevons résulte d'une symétrie particulière, appelée symétrie de Janus, qui lie les états préférentiels de deux univers miroirs. Ces deux univers sont décrits par la théorie, et la symétrie de Janus les relie de manière à émerger un concept de temps dans chacun d'eux.
• Janus-Petit, est basée sur les mêmes principes que la théorie originale de Barbour, mais elle introduit une nouvelle hypothèse. L'hypothèse de Petit est que la métrique négative de la théorie Janus est associée à une forme de matière ou d'énergie qui existe dans une dimension supplémentaire. Cette dimension supplémentaire est cachée de notre observation, mais elle interagit avec la dimension spatiale que nous percevons.

Les théories qui modifient la théorie de la relativité générale

• La théorie de Gauss-Bonnet est une extension de la relativité générale qui inclut des termes supplémentaires dans les équations de champ gravitationnelles. Plus précisément, elle incorpore le terme de Gauss-Bonnet, qui est une combinaison particulière de termes quadratiques en courbure dans l'action gravitationnelle.
• La théorie d'Einstein-Æther est une approche alternative à la relativité générale d'Albert Einstein. Elle propose une modification de la théorie de la gravité en introduisant un champ vectoriel, appelé le champ d'Æther, qui est un vecteur unitaire lié à l'espace-temps. Cette théorie a été développée pour explorer des scénarios où la symétrie de Lorentz (qui décrit l'invariance des lois physiques sous les transformations de Lorentz) peut être spontanément rompue.
• La Cascading Gravity est basé sur l'idée que l'espace-temps que nous observons peut contenir plusieurs dimensions supplémentaires, au-delà des quatre dimensions que nous percevons couramment (trois dimensions spatiales et une dimension temporelle). Ces dimensions supplémentaires sont compactées à une échelle très petite, et c'est leur influence sur l'échelle cosmologique qui est explorée dans cette théorie.
• The Fab Four est une théorie cosmologique proposée par les physiciens John Moffat et Paul Wesson. Elle est basée sur l'idée que l'expansion de l'univers est due à la présence d'une nouvelle forme de matière ou d'énergie, appelée "matière de Wesson".
• La théorie Galileon est une classe de théories de champs scalaires dans le cadre de la gravité qui généralise les propriétés de symétrie de Galilée. Le nom "Galileon" provient du fait que ces théories partagent des symétries similaires à celles du mouvement galiléen en mécanique classique.
• La théorie DGP (Dvali-Gabadadze-Porrati) est une théorie de la gravité qui a été formulée par Gia Dvali, Gregory Gabadadze, et Massimo Porrati dans les années 2000. La caractéristique principale de la théorie DGP est l'introduction de dimensions supplémentaires de l'espace-temps, en plus des quatre dimensions que nous observons couramment (trois dimensions spatiales et une dimension temporelle). Ces dimensions supplémentaires sont souvent appelées des "branes" (abréviation de membranes) dans le contexte de la théorie des cordes et des dimensions supplémentaires.
• La théorie Brans-Dicke a été conçue pour explorer des possibilités au-delà de la gravité einsteinienne standard, en introduisant un champ scalaire supplémentaire (parfois appelé "dilaton") dans les équations de la gravité.
• La Bigravity est une proposition théorique dans le domaine de la physique qui explore la possibilité que la gravité résulte de l'interaction de deux champs gravitationnels distincts plutôt que d'un seul.
• La théorie Horndeski est une classe particulière de théories de la gravité alternative qui englobe des modèles de gravité scalaire-tenseur. Elle a été formulée par Gregory Horndeski en 1974 et est caractérisée par la présence d'une cinquième force, distincte de la gravité newtonienne standard, qui provient d'un champ scalaire non minimalement couplé à la gravité.
• La théorie f(R) est une classe de théories de la gravité modifiée qui généralise la gravité d'Einstein en introduisant une fonction arbitraire f(R) dans les équations de champ. La théorie f(R) suppose que la constante de courbure de la relativité générale est une fonction de la courbure de l'espace-temps. Cela signifie que la gravitation peut être différente à différentes échelles.
• La Massive gravity est une extension de la gravité générale d'Einstein qui explore la possibilité que les particules responsables de la transmission de la force gravitationnelle, appelées gravitons, aient une masse non nulle. Contrairement à la gravité générale, où les gravitons sont considérés comme massless (sans masse), la gravité massive propose que ces particules aient une certaine masse.
• La théorie de Randall-Sundrum propose une extension à la dimension habituelle de l'espace-temps en incluant une dimension supplémentaire, souvent appelée dimension supplémentaire "compacte". Les principales caractéristiques de la théorie sont décrites dans deux modèles, généralement appelés RS1 et RS2.

En résumé

Les scientifiques ne manquent pas de créativité. Il existe de nombreuses autres théories alternatives dans le domaine de la physique théorique et de la cosmologie, cherchant à expliquer des phénomènes tels que l'énergie noire ou l'accélération de l'expansion de l'univers. Certaines de ces théories sont plus spéculatives que d'autres et peuvent avoir des implications qui vont au-delà des observations actuelles.
La recherche dans ces domaines est active, mais aucune théorie alternative n'a encore été largement acceptée comme une explication complète et définitive des phénomènes observés dans l'univers. Cependant, elles représentent une voie prometteuse pour résoudre les problèmes théoriques du modèle ΛCDM.