La physique moderne admet qu’elle ne sait absolument rien de la grande majorité de l’univers. Environ soixante-dix pour cent du cosmos est composé d’une énergie noire étrange et mystérieuse. Nous ne savons pas d’où il vient, nous ne connaissons pas ses propriétés ou sa “composition” – c’est juste que sans lui, les équations de base qui fonctionnent autrement parfaitement n’ont pas de sens.
De nouvelles recherches ont maintenant montré d’où peut provenir cette mystérieuse forme d’énergie. Les observations de trous noirs supermassifs au centre des galaxies montrent qu’ils pourraient être à l’origine de cette partie manquante, mais cruciale, de l’univers.
Les mesures des galaxies anciennes ont révélé que les trous noirs se développent plus que prévu. Selon les auteurs du nouvel article, ces résultats mesurés peuvent signifier que rien de nouveau ne doit être ajouté à notre modèle de l’univers pour expliquer l’énergie noire. La source d’énergie noire est les trous noirs en combinaison avec la gravité dite d’Einstein.
Les scientifiques n’y sont pas parvenus par un raisonnement théorique, mais par une analyse détaillée des données. 17 experts de neuf pays ont participé à la recherche ; il était dirigé par l’Université d’Hawaï. Les résultats ont été publiés dans deux articles de revues Le Journal Astrophysique un Les lettres du journal astrophysique.
Le co-auteur de l’étude, Dave Clements, est enthousiasmé par les résultats : « C’est un résultat vraiment surprenant. Nous avons seulement commencé à étudier la croissance des trous noirs, mais nous avons peut-être trouvé la réponse à l’un des plus gros problèmes de la cosmologie moderne.
Un autre co-auteur de la recherche, Chris Pearson, va même plus loin, selon qui les conclusions pourraient même être révolutionnaires : « Si cette théorie tient le coup, alors elle va révolutionner toute la cosmologie, car nous avons enfin une solution à l’origine d’énergie noire, qui intrigue les cosmologistes et les physiciens théoriciens depuis plus de vingt ans. »
Gravité contre énergie noire
Jusqu’à la fin du XXe siècle, l’univers semblait avoir un sens. Mais dans les années 1990, il est devenu clair que l’expansion de l’univers s’accélérait. Cela signifie, très simplement, que tout dans le cosmos s’éloigne de tout le reste, et de plus en plus vite. Mais tout cela contredit ce que l’on savait auparavant sur l’univers – l’attraction gravitationnelle entre tous les objets de l’univers devrait, au contraire, ralentir l’expansion. Alors, comment est-ce possible ?
Nous ne savons pas. De nombreuses théories ont surgi, mais aucune n’est généralement acceptée ou parfaite. Ainsi, l’explication la plus courante est devenue “l’énergie noire” – sombre dans ce cas signifie autant “invisible pour nos instruments” que simplement “mystérieuse”. Il devrait être responsable de séparer les choses plus fortement que la gravité.
Un concept similaire a déjà été proposé par Albert Einstein ; ce dernier a tenté d’introduire la soi-disant “constante cosmologique”, qui devrait agir contre la gravité et empêcher ainsi l’effondrement de l’univers. Bien qu’Einstein lui-même ait abandonné plus tard cette idée, selon le physicien George Gamow, il l’a même qualifiée de sa plus grande erreur, mais elle est quand même revenue à la physique moderne – jetée par la porte – par la fenêtre.
Le concept a été relancé par la découverte de l’accélération de l’expansion de l’univers, dont le composant principal est un type d’énergie contenue dans l’espace-temps lui-même, appelée énergie du vide. Cette énergie éloigne l’univers plus loin, accélérant l’expansion. Mais il y avait un autre problème insoluble – les trous noirs. Il est difficile de résister à leur gravité extrêmement forte, en particulier dans leurs centres, où tout ce qui tombe en eux se désintègre dans un phénomène appelé “singularité” qui ne peut pas être expliqué physiquement, un peu comme le moment du Big Bang – simplement parce que la physique ne s’applique pas dans eux les lois que nous connaissons.
Le nouveau résultat de la recherche décrit ci-dessus montre que les trous noirs gagnent en masse d’une manière parfaitement cohérente avec le fait qu’ils contiennent de l’énergie du vide. Cela fournit simultanément une source d’énergie noire et supprime la nécessité pour les singularités de se former en leur centre.
Neuf milliards d’années d’expérience
Les trous noirs se forment lorsque des étoiles massives arrivent en fin de vie et s’effondrent sur elles-mêmes. S’ils sont situés au centre des galaxies, on les appelle des trous noirs supermassifs. Leur nom résume bien leurs propriétés fondamentales : malgré leur taille relativement petite, ils ont la masse de milliards de nos Soleils. Et à cause de cela, ils créent une gravité extrêmement forte.
Les trous noirs peuvent grossir de deux manières : soit par ce qu’on appelle l’accrétion de masse, c’est-à-dire en absorbant de la matière (comme les étoiles) qui s’approche trop près, soit en fusionnant avec d’autres trous noirs. Les astrophysiciens devaient d’abord découvrir si ces deux phénomènes ne suffisaient pas à expliquer la croissance des trous noirs supermassifs.
Ils ont donc examiné des données sur une période de neuf milliards d’années. Plus précisément, ils se sont concentrés sur un type particulier de galaxie, les galaxies elliptiques géantes. Ceux-ci ont été créés très peu de temps après la création de l’univers, mais sont ensuite devenus inactifs, c’est-à-dire qu’ils ne libèrent pas une grande quantité d’énergie sous forme de rayonnement électromagnétique ou d’énergie cinétique de la matière. Ils ne forment plus d’étoiles, laissant trop peu de matière en leur centre pour alimenter un trou noir affamé.
Et pourtant, comme l’a montré l’analyse des données, ces trous noirs se sont comportés comme Otesánek – leur croissance sur neuf milliards d’années a été bien supérieure à celle correspondant à l’accrétion ou à la fusion avec d’autres trous.
L’énergie du vide n’est pas de la science-fiction
D’autres mesures montrent qu’il existe une correspondance entre la taille de l’univers et la masse des trous noirs. Selon l’étude, la quantité mesurée d’énergie sombre dans l’univers peut s’expliquer par l’énergie du vide des trous noirs. Il apparaît dans un certain nombre de science-fiction comme une source d’énergie inépuisable, mais en réalité c’est un concept théorique qui s’appuie sur le principe d’incertitude de Heisenberg.
Il s’agit de la première preuve observationnelle que les trous noirs contiennent de l’énergie du vide et sont donc directement liés à l’expansion de l’univers, augmentant en masse à mesure que l’univers se dilate. Ce phénomène est appelé couplage cosmologique.
“S’il est confirmé par d’autres observations, le couplage cosmologique redéfinira notre compréhension de ce qu’est un trou noir”, déclarent les auteurs. Dans le même temps, l’énergie du vide est un phénomène remarquable en soi – cette théorie dit que le vide (le vide) a de l’énergie et que des particules et leurs antiparticules peuvent y être créées, mais elles disparaissent immédiatement à nouveau sans production d’énergie.
Les résultats de l’étude sont résumés par le premier auteur de l’étude, Duncan Farrah de l’Université d’Hawaï : « Nous disons en fait deux choses à la fois. Nous avons la preuve que les explications typiques des trous noirs ne fonctionnent pas pour vous à très long terme dans un passé lointain. Et en même temps, nous avons la première explication astrophysique proposée pour la source d’énergie noire.
L’essentiel, selon lui, c’est que toute cette explication est très élégante. D’une part, il est basé sur l’observation directe, mais surtout il n’ajoute rien de nouveau au modèle existant – la mystérieuse énergie noire correspond aux trous noirs dans la théorie de la gravité d’Einstein.
