Energie sombre et matière noire

Il y a environ 13,8 milliards d’années, l’univers a commencé par une expansion rapide que l’on appelle le big bang. Après cette première expansion, qui n’a duré qu’une fraction de seconde, la gravité a commencé à ralentir l’univers. Mais le cosmos ne resterait pas ainsi. Neuf milliards d'années après la création de l'univers, son expansion a commencé à s'accélérer, poussée par une force inconnue que les scientifiques ont appelée énergie sombre.

Qu’est-ce que l’énergie sombre exactement ?

La réponse courte est : nous ne savons pas. Mais nous savons qu’elle existe, qu’elle entraîne une expansion accélérée de l’univers et qu’environ 68,3 à 70 % de l’univers est constitué d’énergie sombre.


Une histoire brève 


Tout a commencé avec les Céphéides

L’énergie sombre n’a été découverte qu’à la fin des années 1990. Mais son origine dans l'étude scientifique remonte à 1912, lorsque l'astronome américaine Henrietta Swan Leavitt a fait une découverte importante en utilisant les variables céphéides, une classe d'étoiles dont la luminosité fluctue avec une régularité qui dépend de la luminosité de l'étoile.

Toutes les étoiles céphéides ayant une certaine période (la période d'une céphéide est le temps qu'il faut pour passer de brillante, à faible et à nouveau brillante) ont la même magnitude absolue, ou luminosité – la quantité de lumière qu'elles émettent. Leavitt a mesuré ces étoiles et a prouvé qu'il existe une relation entre leur période régulière de luminosité et leur luminosité. Les découvertes de Leavitt ont permis aux astronomes d'utiliser la période et la luminosité d'une étoile pour mesurer les distances entre nous et les étoiles céphéides dans les galaxies lointaines (et notre propre Voie lactée).

À peu près à la même époque, l'astronome Vesto Slipher a observé les galaxies spirales à l'aide du spectrographe de son télescope, un appareil qui divise la lumière en couleurs qui la composent, un peu comme la façon dont un prisme divise la lumière en un arc-en-ciel. Il a utilisé le spectrographe, une invention relativement récente à l'époque, pour observer les différentes longueurs d'onde de la lumière provenant des galaxies dans différentes raies spectrales. Avec ses observations, Silpher a été le premier astronome à observer la rapidité avec laquelle la galaxie s'éloignait de nous, appelée redshift, dans les galaxies lointaines. Ces observations s’avéreraient cruciales pour de nombreuses avancées scientifiques futures, notamment la découverte de l’énergie sombre.

Redshift est un terme utilisé lorsque des objets astronomiques s'éloignent de nous et que la lumière provenant de ces objets s'étend. La lumière se comporte comme une onde et la lumière rouge a la plus longue longueur d'onde. Ainsi, la lumière provenant d'objets qui s'éloignent de nous a une longueur d'onde plus longue, s'étendant jusqu'à « l'extrémité rouge » de l'électromagnétique.

À la découverte d'un univers en expansion

La découverte du redshift galactique, la relation période-luminosité des variables des Céphéides et une nouvelle capacité à mesurer la distance d'une étoile ou d'une galaxie ont finalement joué un rôle dans l'observation par les astronomes que les galaxies s'éloignaient de plus en plus de nous au fil du temps, ce qui a montré comment l'univers était expansion. Dans les années qui ont suivi, différents scientifiques du monde entier ont commencé à rassembler les pièces d’un univers en expansion.

En 1922, le scientifique et mathématicien russe Alexander Friedmann a publié un article détaillant les multiples possibilités pour l’histoire de l’univers. L'article, basé sur la théorie de la relativité générale d'Albert Einstein publiée en 1917, incluait la possibilité que l'univers soit en expansion.

En 1927, l'astronome belge Georges Lemaître, qui ignorait apparemment les travaux de Friedmann, publia un article prenant également en compte la théorie de la relativité générale d'Einstein. Et tandis qu'Einstein affirmait dans sa théorie que l'univers était statique, Lemaître montrait comment les équations de la théorie d'Einstein soutiennent en réalité l'idée que l'univers n'est pas statique mais, en fait, est en expansion.

L'astronome Edwin Hubble a confirmé que l'univers était en expansion en 1929 à l'aide des observations faites par son associé, l'astronome Milton Humason. Humason a mesuré le redshift des galaxies spirales. Hubble et Humason ont ensuite étudié les étoiles céphéides dans ces galaxies, en utilisant ces étoiles pour déterminer la distance de leurs galaxies (ou nébuleuses, comme ils les appelaient). Ils ont comparé les distances de ces galaxies à leur redshift et ont observé comment plus un objet est éloigné, plus son redshift est grand et plus il s'éloigne de nous rapidement. Les deux chercheurs ont découvert que les objets tels que les galaxies s'éloignent de la Terre d'autant plus rapidement qu'ils s'en éloignent, à des centaines de milliers de kilomètres par seconde – une observation désormais connue sous le nom de loi de Hubble, ou loi de Hubble- Lemaître . L’univers, ont-ils confirmé, est réellement en expansion. 


Abell 2744 : L'amas de Pandore révélé 
Cette image composite présente l’une des collisions les plus compliquées et les plus dramatiques jamais vues entre des amas de galaxies. Connu officiellement sous le nom d'Abell 2744, ce système a été surnommé Pandora's Cluster en raison de la grande variété de structures différentes trouvées. Les données de Chandra (rouge) montrent des gaz avec des températures de plusieurs millions de degrés. En bleu se trouve une carte montrant la concentration massique totale (principalement de matière noire) basée sur les données du télescope spatial Hubble, du très grand télescope (VLT) et du télescope Subaru. Les données optiques du HST et du VLT montrent également les galaxies constitutives des amas. Les astronomes pensent qu'au moins quatre amas de galaxies provenant de diverses directions sont impliqués dans cette collision.

L'expansion s'accélère, Supernovae Show

Les scientifiques pensaient auparavant que l’expansion de l’univers serait probablement ralentie par la gravité au fil du temps, une attente soutenue par la théorie de la relativité générale d’Einstein. Mais en 1998, tout a changé lorsque deux équipes différentes d'astronomes observant des supernovae lointaines ont remarqué que (à un certain redshift) les explosions stellaires étaient plus faibles que prévu. Ces groupes étaient dirigés par les astronomes Adam Riess, Saul Perlmutter et Brian Schmidt. Ce trio a remporté le prix Nobel de physique 2011 pour ces travaux.

Même si les supernovae de faible luminosité ne semblent pas être une découverte majeure, ces astronomes étudiaient les supernovae de type 1a , connues pour avoir un certain niveau de luminosité. Ils savaient donc qu’il devait y avoir un autre facteur rendant ces objets plus sombres. Les scientifiques peuvent déterminer la distance (et la vitesse) en utilisant la luminosité d'un objet, et les objets plus sombres sont généralement plus éloignés (bien que la poussière environnante et d'autres facteurs puissent provoquer une atténuation d'un objet).

Cela a conduit les scientifiques à conclure que ces supernovae étaient simplement beaucoup plus éloignées que ce à quoi ils s'attendaient en examinant leurs redshifts.

Grâce à la luminosité des objets, les chercheurs ont déterminé la distance de ces supernovae. Et en utilisant le spectre, ils ont pu déterminer le redshift des objets et, par conséquent, la vitesse à laquelle ils s'éloignaient de nous. Ils ont découvert que les supernovae n’étaient pas aussi proches que prévu, ce qui signifie qu’elles s’étaient éloignées de nous plus rapidement que prévu. Ces observations ont conduit les scientifiques à conclure que l’univers lui-même devait s’étendre plus rapidement au fil du temps.

Alors que d'autres explications possibles de ces observations ont été explorées, les astronomes étudiant des supernovae encore plus lointaines ou d'autres phénomènes cosmiques ces dernières années ont continué à rassembler des preuves et à étayer l'idée selon laquelle l'univers se développe plus rapidement avec le temps, un phénomène maintenant appelé accélération cosmique. . Mais alors que les scientifiques démo

ntraient l’accélération cosmique, ils se demandaient également : pourquoi ? Qu’est-ce qui pourrait pousser l’univers à s’étendre plus rapidement au fil du temps ? 

Entrez dans l’énergie sombre. 


Qu’est-ce que l’énergie sombre exactement ?


À l’heure actuelle, l’énergie sombre n’est que le nom que les astronomes ont donné au mystérieux « quelque chose » qui provoque l’expansion accélérée de l’univers.

L’énergie sombre a été décrite par certains comme ayant pour effet une pression négative qui pousse l’espace vers l’extérieur. Cependant, nous ne savons pas si l’énergie sombre a l’effet d’un quelconque type de force. De nombreuses idées circulent sur ce que pourrait être l’énergie sombre. Voici quatre principales explications de l’énergie sombre. Gardez à l’esprit qu’il est possible que ce soit tout autre chose.

Énergie du vide

Certains scientifiques pensent que l'énergie sombre est une énergie de fond fondamentale et omniprésente dans l'espace, connue sous le nom d'énergie du vide, qui pourrait être égale à la constante cosmologique, un terme mathématique dans les équations de la théorie de la relativité générale d'Einstein. À l’origine, la constante existait pour contrebalancer la gravité, créant ainsi un univers statique. Mais lorsque Hubble a confirmé que l’univers était réellement en expansion, Einstein a supprimé la constante, la qualifiant de « ma plus grosse erreur », selon le physicien George Gamow.

Mais lorsqu'on a découvert plus tard que l'expansion de l'univers s'accélérait, certains scientifiques ont suggéré qu'il pourrait en réalité y avoir une valeur non nulle à la constante cosmologique jusqu'alors discréditée. Ils suggéraient que cette force supplémentaire serait nécessaire pour accélérer l’expansion de l’univers. Selon cette théorie, cette composante mystérieuse pourrait être attribuée à ce qu’on appelle « l’énergie du vide », qui est une énergie de fond théorique imprégnant tout l’espace.

L'espace n'est jamais vraiment vide. Selon la théorie quantique des champs, il existe des particules virtuelles, ou des paires de particules et d'antiparticules. On pense que ces particules virtuelles s’annulent presque aussitôt qu’elles apparaissent dans l’univers, et que cet acte d’apparition et de disparition pourrait être rendu possible par « l’énergie du vide » qui remplit le cosmos et pousse l’espace vers l’extérieur.

Bien que cette théorie ait été un sujet de discussion populaire, les scientifiques qui étudient cette option ont calculé la quantité d’énergie du vide qu’il devrait théoriquement y avoir dans l’espace. Ils ont montré que soit il devrait y avoir tellement d’énergie du vide qu’au tout début, l’univers se serait étendu si rapidement et avec une telle force qu’aucune étoile ou galaxie n’aurait pu se former, soit… il ne devrait y en avoir absolument aucune. Cela signifie que la quantité d’énergie du vide dans le cosmos doit être bien inférieure à ce qu’elle est dans ces prédictions. Cependant, cette divergence n’a pas encore été résolue et a même valu le surnom de « problème cosmologique constant ».

Quintessence

Certains scientifiques pensent que l’énergie sombre pourrait être un type de fluide ou de champ énergétique qui remplit l’espace, se comporte de manière opposée à la matière normale et peut varier en quantité et en distribution dans le temps et dans l’espace. Cette version hypothétique de l’énergie sombre a été surnommée quintessence d’après le cinquième élément théorique discuté par les philosophes grecs anciens.

Certains scientifiques ont même suggéré que la quintessence pourrait être une combinaison d'énergie sombre et de matière noire, bien que les deux soient actuellement considérées comme complètement distinctes l'une de l'autre. Bien que ces deux phénomènes restent un mystère majeur pour les scientifiques, la matière noire représenterait environ 85 % de toute la matière de l’univers.

Rides spatiales

Certains scientifiques pensent que l’énergie sombre pourrait être une sorte de défaut dans la structure même de l’univers ; des défauts comme les cordes cosmiques, qui sont d'hypothétiques « rides » unidimensionnelles qui se seraient formées dans l'univers primitif.

Une faille dans la relativité générale

Certains scientifiques pensent que l’énergie sombre n’est pas quelque chose de physique que nous pouvons découvrir. Ils pensent plutôt qu'il pourrait y avoir un problème avec la relativité générale et la théorie de la gravité d'Einstein et son fonctionnement à l'échelle de l'univers observable. Dans le cadre de cette explication, les scientifiques pensent qu'il est possible de modifier notre compréhension de la gravité de manière à expliquer les observations de l'univers effectuées sans avoir recours à l'énergie sombre. Einstein a en fait proposé une telle idée en 1919 appelée gravité unimodulaire, une version modifiée de la relativité générale qui, selon les scientifiques d'aujourd'hui, n'aurait pas besoin d'énergie sombre pour donner un sens à l'univers.


L'avenir


L'énergie sombre est l'un des grands mystères de l'univers. Pendant des décennies, les scientifiques ont émis des théories sur l’expansion de notre univers. Aujourd’hui, pour la première fois, nous disposons d’outils suffisamment puissants pour mettre ces théories à l’épreuve et réellement enquêter sur la grande question : « qu’est-ce que l’énergie sombre ? »

La NASA joue un rôle essentiel dans la mission Euclid de l’ESA (Agence spatiale européenne) (lancée en 2023), qui dressera une carte 3D de l’univers pour voir comment la matière a été fragmentée par l’énergie sombre au fil du temps. Cette carte comprendra des observations de milliards de galaxies situées jusqu'à 10 milliards d'années-lumière de la Terre.

Le télescope spatial romain Nancy Grace de la NASA , dont le lancement est prévu d'ici mai 2027, est conçu pour étudier l'énergie sombre, parmi de nombreux autres sujets scientifiques, et créera également une carte 3D de la matière noire. La résolution de Roman sera aussi nette que celle du télescope spatial Hubble de la NASA, mais avec un champ de vision 100 fois plus grand, lui permettant de capturer des images plus étendues de l'univers. Cela permettra aux scientifiques de cartographier la façon dont la matière est structurée et répartie dans l’univers et d’explorer le comportement et l’évolution de l’énergie sombre au fil du temps. Roman mènera également une enquête supplémentaire pour détecter les supernovae de type Ia

Outre les missions et les efforts de la NASA, l'Observatoire Vera C. Rubin, soutenu par une vaste collaboration incluant la National Science Foundation des États-Unis, actuellement en construction au Chili, est également sur le point de soutenir notre compréhension croissante de l'énergie sombre. L’observatoire au sol devrait être opérationnel en 2025.

Les efforts combinés d’Euclide, de Roman et de Rubin ouvriront la voie à un nouvel « âge d’or » de la cosmologie, au cours duquel les scientifiques rassembleront des informations plus détaillées que jamais sur les grands mystères de l’énergie sombre.

De plus, le télescope spatial James Webb de la NASA (lancé en 2021), le télescope spatial le plus puissant et le plus grand au monde, vise à apporter des contributions à plusieurs domaines de recherche et contribuera aux études sur l'énergie sombre.

La mission SPHEREx (Spectro-Photometer for the History of the Universe, Epoch of Reionization et Ices Explorer) de la NASA , dont le lancement est prévu au plus tard en avril 2025, vise à étudier les origines de l'univers. Les scientifiques s'attendent à ce que les données collectées avec SPHEREx, qui étudiera l'ensemble du ciel dans une lumière proche infrarouge, y compris plus de 450 millions de galaxies, puissent aider à approfondir notre compréhension de l'énergie sombre.

La NASA soutient également un projet de science citoyenne appelé Dark Energy Explorers , qui permet à quiconque dans le monde, même à ceux qui n'ont aucune formation scientifique, de contribuer à la recherche de réponses à l'énergie sombre.

*Une brève note*

Enfin, pour clarifier, l’énergie sombre n’est pas la même chose que la matière noire. Leur principale similitude est qu’on ne sait pas encore ce qu’ils sont !

Par Chelsea Gohd, Jet Propulsion Laboratory de la NASA

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