On sait que c’est à la fin des années 1990 qu’a été découverte l’accélération de l’expansion de l’Univers observable depuis quelques milliards d’années. On simplifie souvent cette découverte en disant qu’il s’agit de la découverte de l’énergie noire mais en réalité, tout ce qui a été mis en évidence par deux équipes d’astrophysiciens dont l’une était menée par Saul Perlmutter, c’est cette accélération même. On peut l’expliquer sans introduire le concept d’énergie noire et, de fait, le comité Nobel qui a récompensé les deux leaders des équipes pour cette découverte ne parle, lui aussi, que de la révélation de l’existence d’une accélération de l’expansion. Techniquement, ce phénomène est décrit en première approximation par l’ajout aux équations d’Einstein de la relativité générale d’une constante appelée la constante cosmologique. Einstein l’avait fait en 1917 quand il a introduit le premier modèle cosmologique basé sur une théorie relativiste de la gravitation. Cette constante se manifestait déjà par un effet répulsif contrecarrant l’attraction des masses de matière pour donner un cosmos statique et en équilibre.
La découverte de l’accélération de l’expansion cosmique et ses interprétations, interview pour le site Futura-Sciences par Jonathan Sarre, septembre 2014. (c) Jean-Pierre Luminet.
Le Soleil et le Système solaire en expansion ?
En fait, cet équilibre était instable et des années 1930 aux années 1990, tout le monde ou presque avait abandonné la constante cosmologique d’Einstein quand Hubble a découvert l’expansion de l’Univers. Le seul quasiment à garder cette constante était Georges Lemaître qui avait, le premier, correctement compris – en matière d’expansion de l’espace – la découverte par Hubble d’une relation entre un effet de décalage spectral vers le rouge de la lumière des galaxies et leurs distances à la Voie lactée. Hubble ne comprenait pas la théorie d’Einstein et pour lui, le décalage était produit par des mouvements de déplacement des galaxies entraînant un effet Doppler. Lemaître avait en fait démontré qu’il s’agissait d’un effet de dilatation, d’étirement de la longueur d’onde de la lumière au cours de son voyage, effet d’autant plus important que le voyage avait duré longtemps.
Que ce soit avec ou sans constante cosmologique, la découverte de l’expansion posait le problème de savoir jusqu’où elle se manifestait. Fallait-il en conclure que les rayons des orbites des planètes du Système solaire, la taille du Soleil même, augmentaient avec le temps ?
Un premier élément de réponse avait été donné par Einstein et son assistant Ernst G. Straus dès 1945. La gravité d’un corps pouvait être suffisamment forte pour contrecarrer complètement l’effet de l’expansion. Les calculs à ce sujet furent affinés aux cours des décennies suivantes et montrèrent que les possibles effets de l’expansion au niveau des planètes du Système solaire ou des étoiles dans une galaxie étaient presque insignifiants.
Mais ces calculs avaient été menés avant la découverte de l’expansion du cosmos observable. C’est pourquoi un groupe de chercheurs de l’université de Cambridge, en Angleterre, Anne Davis du mythique DAMTP (où travaillait Hawking) et Wyn Evans de l’Institut d’astronomie, a revisité cette question avec leur collègue David Benisty, aussi du Département de mathématiques appliquées et de physique théorique. Ils l’ont fait en menant des calculs analytiques tenant compte de la constante cosmologique, du mouvement de la galaxie d’Andromède par rapport à la Voie lactée, comme ils l’expliquent dans un article qui sera publié dans Les lettres du journal astrophysique.
Une mesure directe de l’énergie noire et d’une nouvelle physique ?
Il se trouve que la galaxie d’Andromède est connue depuis un moment déjà pour avoir une trajectoire qui va la conduire à entrer en collision avec la Voie lactée et que l’événement avait déjà, peut-être, failli se produire il y a plusieurs milliards d’années. Cela était connu avant la découverte de l’énergie noire et on l’interprétait simplement en expliquant déjà que l’effet de l’expansion n’était vraiment sensible que quand on commence à aller à des échelles un peu au-delà de celle d’un amas de galaxies et qu’il n’y avait donc pas de problème avec le fait que la lumière de la galaxie d’Andromède était en fait décalée vers le bleu, cette fois-ci par un véritable effet Doppler du fait du mouvement propre d’Andromède sur sa trajectoire vers notre Galaxie. Les astrophysiciens de Cambridge ont découvert que les mouvements d’Andromède et sa collision prévue d’ici 4,5 à 5 milliards d’années étaient en fait sensibles à la valeur et à la nature de la constante cosmologique, c’est-à-dire que ces mouvements sont affectés de façon non négligeable par la nature de l’énergie noire, chaque calcul donnant des résultats différents selon la modélisation de la constante cosmologique, soit sa valeur ou son origine à partir d’une nouvelle physique comme, par exemple, celle d’une théorie tenseur-scalaire.
« L’énergie noire affecte chaque paire de galaxies : la gravité veut rapprocher les galaxies, tandis que l’énergie noire les éloigne. Dans notre modèle, si nous modifions la valeur de la constante cosmologique, nous pouvons voir comment cela modifie l’orbite des deux galaxies. Sur la base de leur masse, nous pouvons placer une limite supérieure sur la constante cosmologique, qui est environ cinq fois supérieure à ce que nous pouvons mesurer à partir du reste de l’Univers », explique David Benisty dans un communiqué de l’université de Cambridge.
Et le chercheur ajoute : « L’énergie noire est l’un des plus grands puzzles de la cosmologie. Il se peut que ses effets varient avec la distance et le temps, mais nous espérons que cette technique pourra aider à percer le mystère. » Comme les données du télescope James-Webb (JWST) fourniront des mesures beaucoup plus précises de la masse et du mouvement d’Andromède, cela pourrait aider à réduire les limites supérieures sur la valeur de la constante cosmologique, au point de tout simplement tout à la fois la détecter et le mesurer, et à obtenir d’autres informations en étudiant des paires de galaxies lointaines affectées elles aussi par l’énergie noire.
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