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Énergie sombre

En cosmologie, l'énergie sombre est une forme d'énergie hypothétique remplissant tout l'univers et exerçant une pression négative se comportant comme une force gravitationnelle répulsive. L'énergie sombre peut expliquer l'accélération de l'expansion de l'univers et composerait une portion significative de la masse de celui-ci. La constante cosmologique et la quintessence sont deux formes d'énergie sombre proposée ; la première étant statique alors que la seconde est dynamique. Décider entre ces deux théories nécessite de mesurer avec précision l'expansion de l'univers afin de déterminer la manière dont l'expansion varie avec le temps. De telles mesures sont l'objet de recherches actuelles en astrophysique.

Origine

La constante cosmologique fut initialement proposée par Albert Einstein comme un mécanisme pour contrer la gravitation et conduire à un univers statique. Néanmoins, ce fait fut reconnu plus tard par Einstein lui-même, cela conduisait à un univers instable et l'existence d'inhomogénéités locales conduisent à une expansion ou une contraction de celui-ci à grande échelle. De plus, les observations effectuées par Edwin Hubble en 1929 avaient indiqué que l'univers n'était pas statique mais en expansion. Après cette découverte, la constante cosmologique fut releguée au rang de curiosité historique.

Dans les années 1970, Alan Guth a proposé que c'est une constante cosmologique qui provoquerait l'inflation cosmique dans l'univers primordial. Même une fois que les modèles inflationnaires soient devenus largement acceptés, la constante cosmologique fut considérée comme inadéquate à la description de notre univers. Néanmoins, à la fin des années 1990, les satellites et les télescopes ont permis des mesures très précises des supernovaes distantes et du rayonnement fossile micro-onde. Plusieurs caractéristiques observées peuvent être expliquées à l'aide de l'énergie sombre.

Nature du phénomène

Du fait de sa nature répulsive, l'énergie sombre a tendance à accélérer l'expansion de l'univers, plutôt que le ralentissement attendu dans un univers dominé par la matière. Un univers accélérant est exactement ce que l'on constate en observant les supernovas les plus lointaines.

Un autre indice provient de l'étude de la densité d'énergie totale de l'univers. Depuis longtemps, et cela était corroboré par des observations et leur interprétation, on pensait que la densité totale d'énergie était proche de la densité critique qui était nécessaire pour avoir un univers plat (c'est-à-dire que la courbure de l'espace-temps, telle que définie dans la relativité générale, tend vers zéro à de larges échelles). Comme l'énergie est équivalente à la masse (cela fut énoncé la première fois par la relativité restreinte et la célèbre formule E=mc²), on exprime cela en terme de masse critique nécessaire à obtenir un univers plat. Les observations de la matière visible rendent compte de seulement 2 à 5% de cette nécessaire densité de masse. La matière sombre, c'est-à-dire la matière n'emettant pas ou pas suffisamment de lumière pour être vue, fut pendant longtemps considérée comme pouvant apporter cette masse manquante. Néanmoins l'observation des galaxies et des amas dans les années 1990 indiqua que la matière sombre ne pouvait représenter guère plus que 25% de la densité de la masse critique.

D'une manière remarquable, les observations de supernovaes semblent indiquer que l'énergie sombre doit représenter environ 70% de la densité critique d'énergie. Ainsi, en additionnant les différentes énergies ont arrive exactement à ce qu'il faut pour avoir un univers actuel plat, correspondant aux observations.

Composition

La nature exacte de l'énergie sombre fait largement partie du domaine de la spéculation. Certains estiment que l'énergie sombre serait l'énergie du vide, représentée par la constante cosmologique de la relativité générale. C'est l'explication la plus simple et poser une constante cosmologique signifie que la densité de l'énergie sombre est uniforme, et constante dans tout l'univers, invariable en fonction du temps. C'est la forme introduction par Einstein, et cette forme est cohérente avec nos observations actuelles de l'univers. Si l'énergie sombre prend cette forme, cela signifie qu'il s'agit d'une propriété fondamentale de l'univers.

D'autres hypothèses ont été avancées. Ainsi, l'énergie sombre pourrait être induite par l'existence de particules inconnues. Ces modèles sont appelés quintessences (le cinquième élément). Certaines théories proposent que ces particules aient été créées en quantité suffisante lors du big bang pour remplir tout l'espace. Néanmoins, si cela était le cas, on s'attendrait qu'elles se regroupent et on observerait des variations de densité en fonction du temps. Aucune preuve de ceci n'a été observée, mais la précision des observations ne permet pas d'exclure cette hypothèse.

L'inflation

On peut remarquer qu'une forme ou l'autre de l'énergie sombre est l'explication la plus plausible de l'inflation cosmique qui eut lieu peu après le big bang. Cette inflation est un mécanisme essentiel des théories cosmologiques actuelles expliquant la formation des structures à grande échelle de l'univers. Il n'est pas établi si l'énergie sombre actuelle est reliée à l'énergie sombre qui aurait provoqué l'inflation.

Implications sur le destin de l'univers

Si l'énergie sombre continue de dominer la balance énergétique de l'univers, l'expansion observée de l'espace va continuer à accélérer jusqu'à devenir finalement exponentielle. Les structures qui ne sont pas déjà reliées gravitationnellement vont se briser et ses parties vont s'éloigner les unes des autres à des vitesses apparentes supérieures à celle de la lumière. L'accélération nous empêchera finalement d'observer des portions importantes de l'univers qui est aujourd'hui visible. Néammoins, il convient de remarquer que si la densité de l'énergie sombre n'augmente pas, alors les structures reliées gravitationnellement, telles les galaxies ou les système planétaires, le resteront. Ainsi le système solaire ou la Voie lactée resteraient essentiellement identiques à ce qu'ils sont aujourd'hui, alors que le reste de l'univers nous semblera s'enfuir loin de nous.

Par contre, l'énergie sombre pourrait ne pas être constante mais augmenter avec le temps. Dans un tel scénario, appelé le Big Rip, toute la matière de l'univers, même les atomes, pourraient finalement être désintégrés, laissant un univers vide et sans aucune structure.

Finalement, l'énergie sombre pourrait se dissiper avec le temps, ou même s'inverser. Les incertitudes sur les observations laissent ouverte la porte sur le fait que la gravité puissent un jour dominer un univers qui se contracte sur lui-même et disparaisse dans un Big Crunch. Ce scénario est néanmoins considéré comme le moins probable.

En mai 2004, la publication de travaux réalisés avec le télescope spatial Chandra et consistant à mesurer les distances de 26 amas de galaxies lointains semblent confirmer que l'expansion a commencé à accélérer il y a 6 milliards d'années, et que l'énergie sombre semble rester constante, ou alors varie très lentement. Cela est compatible avec l'existence d'une constante cosmologique et rend des scénarios tels le Big Crunch ou le Big Rip improbables.