Le mystère de l'énergie noire se fissure

Après cinq ans d'observations, l'instrument de Kitt Peak en Arizona (États-Unis) a livré la plus vaste cartographie en trois dimensions de l'Univers jamais réalisée : plus de 47 millions de galaxies et quasars, ainsi que 20 millions d'étoiles de notre galaxie, dont la position a été mesurée avec une précision inédite. Une moisson spectaculaire. Mais ce n'est pas seulement la taille de la carte qui fait frémir les théoriciens. C'est le message qu'elle semble contenir. Un signal encore fragile, mais qui se renforce à mesure que les données s'accumulent. "Les observations suggèrent que l'accélération de l'expansion serait aujourd'hui plus faible que par le passé", explique la cosmologiste Pauline Zarrouk, responsable de la collaboration Desi au CNRS. Autrement dit, l'action de l'énergie noire aurait ainsi varié au fil du temps…

Enfin une information ! C'est peu dire que l'énergie noire était restée opaque depuis sa découverte en 1998, grâce aux travaux conjoints de Saul Perlmutter et d'Adam Riess. Alors qu'ils tentaient de démontrer que l'expansion de l'Univers ralentissait sous l'effet de la gravitation, les deux chercheurs et leurs équipes observèrent l'inverse : l'expansion accélère. Pour expliquer ce phénomène inattendu, il a fallu introduire un ingrédient supplémentaire dans l'Univers, une composante aux propriétés forcément répulsives pour expliquer cette expansion ex nihilo. Baptisée "énergie noire", faute de mieux, elle représenterait près de 70 % du contenu énergétique du cosmos.

Depuis plus de vingt-cinq ans, les hypothèses n’ont pas manqué à son sujet. "Et quand on a beaucoup d’explications, ça veut dire qu’on n’a pas encore la bonne", s’amuse Filippo Vernizzi. Jusqu’à présent, la plus simple consistait à considérer l’énergie noire comme une propriété fondamentale de l’Univers : une constante "cosmologique", immuable et intrinsèque au contenu de celui-ci. Autrement dit, à mesure que l’expansion crée de nouvelles portions d’espace, chacune d’elles porte sa petite quantité bien précise d’énergie noire.

Près de 95 % de ce qui compose l'Univers demeure encore inconnu à ce jour.

Desi, l'"usine à spectres"

C'est l'un des outils les plus ambitieux jamais consacrés à l'étude de l'Univers. Installé sur le télescope Mayall, à Kitt Peak (États-Unis), Desi a un cœur composé de 5000 fibres optiques robotisées, qui viennent se positionner avec une précision extrême sur autant de galaxies simultanément. Chacune capte leur lumière et l'achemine vers des spectrographes capables de la décomposer en ses différentes longueurs d'onde. En analysant ces spectres, les astronomes mesurent la vitesse à laquelle les galaxies s'éloignent - et donc leur position dans l'espace et le temps. Cette capacité de production massive vaut à Desi son surnom d'"usine à spectres".

Chaque nuit, l'instrument collecte des données sur des centaines de milliers d'objets célestes. Prolongée jusqu'à fin 2028, la mission va désormais étendre son relevé vers le sud du ciel, afin de multiplier les recoupements avec l'observatoire Vera-Rubin… et atteindre les 60 millions de galaxies recensées. Une seconde phase, Desi 2, pourrait ensuite prendre le relais à partir de 2029, pour six années supplémentaires. Le programme viserait des galaxies plus lointaines, donc un Univers plus ancien, pour tester l'hypothèse d'une variation des propriétés de l'énergie noire dans l'histoire cosmique.

L’idée d’une énergie noire constante commence à s’effriter

C’est cette intuition que Desi vient de bousculer. Observer loin dans l’espace, c’est remonter le temps. En cartographiant l’Univers jusqu’à 11 milliards d’années-lumière, l’instrument a donc retracé l’expansion sur l’essentiel de l’histoire cosmique, vieille de 13,8 milliards d’années. Et dans ce long film, l’énergie noire ne semble pas jouer exactement la même partition du début à la fin, bien que la prudence reste de mise. "Pris seuls, les résultats de Desi restent compatibles avec une énergie noire constante. Mais dès qu’on les confronte aux autres observations du cosmos, il devient impossible de trouver un modèle unique qui décrive correctement à la fois l’Univers primordial et l’Univers plus récent cartographié par Desi", constate Pauline Zarrouk.

En effet, on n'a pas attendu Desi pour mesurer l'expansion de l'Univers. Deux grandes approches ont permis d'en retracer l'histoire. D'un côté, l'observation du fond diffus cosmologique, cette première lumière émise 380.000 ans après le Big Bang, offre une image très précise de l'Univers primordial et fixe les conditions initiales de son évolution. De l'autre, l'étude des supernovæ de type Ia, utilisées comme "chandelles standards", permet de mesurer directement l'expansion à des époques plus récentes à partir de la luminosité de ces "phares cosmiques".

Jusqu'ici, ces différentes observations s'accordaient bien dans le cadre d'un modèle reposant sur une énergie noire constante. C'est donc cette cohérence globale que les résultats de Desi commencent à ébranler. "Ces tensions apparaissent parce qu'avec des instruments comme SDSS [prédécesseur de Desi], Desi, Euclid [qui cartographie l'Univers depuis l'espace], nous sommes progressivement entrés dans une ère où les données deviennent si précises qu'elles permettent de tester en profondeur les hypothèses", analyse Filippo Vernizzi.

Quelles que soient ces hypothèses, l'énergie noire est toujours modélisée comme un fluide aux propriétés très particulières. Pour s'en rendre compte, prenons un fluide classique, un gaz par exemple. On peut le caractériser par sa densité - la quantité de matière contenue dans un volume donné - et par sa pression. Cette dernière correspond à la force qu'il exerce sur les parois qui le contiennent. Et si l'on dilate la boîte, la densité et la pression baissent puisque la même quantité de matière occupe un volume plus grand. L'énergie noire se comporte tout autrement, car elle exerce une pression négative.

Une notion difficile à se représenter. Mais à une dimension, on peut s'en faire une idée. Il suffit de comparer l'action d'un ressort comprimé entre vos doigts à celle d'un élastique étiré : vous sentez que le sens de la pression n'est pas le même. La pression est positive dans le premier cas, négative dans l'autre.

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La "pression négative" de l'énergie noire

Dans le cadre de la relativité générale, une telle pression négative dilate l'Univers. C'est déjà étrange, mais il y a mieux. À mesure que l'Univers s'étend, l'énergie noire ne se dilue pas. Car à cette pression négative correspond une densité d'énergie positive qui ne diminue pas lorsque l'espace s'étend. Résultat : l'expansion ne ralentit pas, elle s'accélère.

Les différents scénarios se distinguent alors par la façon dont cette densité d'énergie évolue au cours du temps. Dans le cas le plus simple - celui de la constante cosmologique -, elle reste parfaitement constante. "Mais on peut aussi modéliser l'énergie noire comme un fluide dont la densité change dans le temps", souligne Filippo Vernizzi. C'est précisément cette piste qui revient aujourd'hui sur le devant de la scène avec les résultats de Desi. Dans ces modèles, la densité ne serait plus parfaitement constante : elle pourrait diminuer lentement à mesure que l'Univers s'étend, modifiant progressivement le rythme de l'expansion.

Dans ce type de scénario, le fluide correspondrait à un champ scalaire, soit une grandeur qui prend une valeur précise en chaque point de l'espace. La température en chaque endroit d'une pièce constitue un exemple familier de champ scalaire. Ici, pas de température, mais une énergie présente partout dans l'Univers, à l'image du champ de Higgs, le seul champ scalaire connu en physique des particules à ce jour. Cette hypothèse, élaborée dès la découverte de l'énergie noire par les physiciens américains Robert Caldwell et Paul Steinhardt, porte le joli nom de "quintessence".

L'idée s'inspire directement de l'inflation cosmique, cette phase d'expansion fulgurante qu'aurait connue à ses tout débuts l'Univers. Là aussi, un champ - dont la nature reste inconnue - aurait brièvement dominé la dynamique du cosmos. L'énergie noire pourrait ainsi être une version atténuée de ce phénomène : un champ évoluant lentement et continuant, de nos jours encore, à influencer l'expansion.

Mais cette hypothèse soulève immédiatement une difficulté. Si un tel champ existe, pourquoi ne l'a-t-on jamais détecté ? Et surtout, pourquoi serait-il encore en train d'évoluer précisément à cette époque de l'Univers où nous pouvons l'observer ? Drôle de coïncidence… "En général, un champ scalaire se stabilise vers un minimum et cesse d'évoluer", indique Filippo Vernizzi. Autrement dit, il devrait se figer, comme le champ de Higgs une fois qu'il a donné leur masse aux particules.

Ce n'est pas tout. Si ce champ est suffisamment léger pour évoluer à l'échelle de l'Univers, il pourrait aussi se manifester sous la forme d'une nouvelle interaction - une "cinquième force" venant s'ajouter aux quatre autres (gravitation, électromagnétique, interaction forte et faible). Or, aucune expérience menée dans le Système solaire ou en laboratoire n'en a jamais révélé la moindre trace.

Mais, prouvant que l'énergie noire a décidément des ressources pour nous surprendre, les données de Desi suggèrent aussi que l'Univers aurait pu connaître une phase transitoire durant laquelle la densité d'énergie noire aurait augmenté à mesure qu'il s'étendait. L'énergie noire serait alors devenue, un temps, de plus en plus dominante à mesure que l'espace grandissait. Un comportement particulièrement déroutant, qualifié de "fantôme" par les physiciens.

Enfin, il existe une autre piste explorée par les scientifiques : remettre en cause la gravitation elle-même. Dans ce cas, l'accélération de l'expansion ne proviendrait pas d'une énergie noire mystérieuse, mais d'une modification des lois de la gravité lorsqu'elles s'exercent à de très grandes distances. Ces pistes sont activement explorées mais elles se heurtent à des contraintes sévères : la relativité générale a été vérifiée avec une précision extrême dans le Système solaire, et même au-delà grâce aux ondes gravitationnelles.

Trois ans de données restent encore à analyser

Surtout, les résultats actuels de Desi ne pointent pas dans cette direction. Une première analyse, fondée sur un an d'observations et publiée fin 2024, confirme la validité de la théorie d'Einstein à grande échelle. "Aucun signal ne plaide pour le moment en faveur d'une modification de la gravité", constate Pauline Zarrouk. Cependant, les équipes travaillent déjà à affiner ce résultat avec trois ans de données supplémentaires…

Même si l'énergie noire est encore loin d'avoir livré ses secrets, un effort sans précédent est désormais engagé pour comprendre sa nature. La mission Desi a été prolongée au moins jusqu'en 2028, tandis que de nouveaux instruments prennent le relais. Le satellite européen Euclid cartographie déjà l'Univers depuis l'espace, et l'observatoire américain-Vera-Rubin livrera bientôt ses premières données.

Avec ces outils, les chercheurs accèdent pour la première fois à l'histoire récente de l'expansion, là où l'énergie noire domine. De quoi espérer en percer le mystère et, peut-être, révéler une physique encore insoupçonnée.

Comment Desi mesure l'expansion de l'Univers

L'Univers est en expansion depuis sa naissance, il y a 13,8 milliards d'années. Et ce rythme accélère depuis environ 5 milliards d'années sous l'effet de l'énergie noire. Pour mesurer cette expansion, les cosmologistes utilisent les oscillations acoustiques des baryons. Elles résultent d'ondes de pression ayant parcouru l'Univers primordial avant que la lumière puisse s'en échapper, 380.000 ans après le Big Bang. Ces ondes ont créé des régions plus denses en matière que d'autres. La distance séparant ces zones a grandi avec l'Univers. Aujourd'hui, cette empreinte subsiste dans la répartition des galaxies. En mesurant leur distance moyenne caractéristique (cercle jaune), les cosmologistes retrouvent la trace des oscillations baryoniques dont la taille a grandi avec l'expansion de l'Univers, comme les cercles concentriques créés par une pierre jetée dans l'eau.

Crédit : Bruno Bourgeois