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L’énergie noire

Publié le 26 juillet 2021

Les physiciens estiment que près de 70% du contenu énergétique de l’Univers serait dû à une composante qui n’est ni matière, ni rayonnement. Cette composante exotique, appelée énergie noire, pousse l’Univers à accélérer son expansion depuis près de six milliards d’années. La nature de cette énergie noire constitue un des grands mystères contemporains de la cosmologie.

​Du Big Bang à l’émergence de l’énergie noire

Dans les années 1920, Alexandre Friedmann et Georges Lemaître dessinent les bases théoriques de l’expansion de l’Univers en s’appuyant sur la relativité générale d’Einstein. En parallèle, Edwin Hubble observe que la vitesse à laquelle les galaxies s’éloignent de la Terre est d’autant plus élevée qu’elles sont plus distantes. Ce constat devient la loi de Hubble en 1929. Cette dernière ne résulte pas d’un mouvement propre des galaxies mais de l’expansion de l’espace-temps lui-même.

VidéoHistoire de l'univers


La théorie du Big Bang remonte au milieu des années 1920. Selon celle-ci, l’Univers a évolué à partir d’un état extrêmement dense et chaud, il y a 13,8 milliards d’années. Pendant les milliards d’années qui suivent, l’Univers est en expansion mais la gravité, qui est une force attractive, la ralentit. Pourtant, en 1998, deux équipes de recherche montrent que la quantité de lumière reçue de supernovae  distantes est plus faible qu’attendue. Pour expliquer ce phénomène, il faut supposer qu’il existe une sorte d’énergie du vide qui accélère l’expansion depuis près de 6 milliards d’années : c’est l’émergence du concept d’énergie noire. Il sera conforté par la suite par les données du fond diffus cosmologique mesuré notamment par le satellite Planck.


L'observation des Supernovae

L'observation des supernovae de type Ia est un indice de l'accélération de l'expansion de l'Univers.
Les supernovae de type Ia, ces explosions d’étoiles arrivées en fin de vie, émettent un flux lumineux reproductible d’une supernova à l’autre, ce qui en fait des objets astrophysiques dont on connaît l’intensité lumineuse. Comme la quantité de lumière reçue d’un astre diminue avec le carré de sa distance, l’intensité du flux lumineux provenant de ces supernovæ permet de mesurer leur distance. Par ailleurs, en étudiant le décalage vers le rouge de ce même rayonnement, on peut estimer de combien l’Univers s’est dilaté depuis l’apparition de la supernova, sous différentes hypothèses d’Univers en expansion. Or, les supernovæ lointaines se sont révélées moins lumineuses, et donc plus éloignées, que ce qui est attendu dans un univers dominé par la seule force de la gravité. L’expansion de l’Univers, au lieu de ralentir, s’accélère.


Quelle est l'origine de l’énergie noire ?

L’origine de l’accélération de l’expansion de l’Univers n’est pour l’instant pas connue. On la décrit donc empiriquement en introduisant dans la description de l’Univers une composante dite d’énergie noire, de force répulsive. Il revient à l’expérience d’en mesurer les caractéristiques pour comprendre ce qui se cache réellement derrière l’énergie noire.

Deux cas de figure sont envisageables.

  • Hypothèse 1 : La densité d’énergie noire peut demeurer constante dans le temps, auquel cas, elle serait interprétée comme une constante fondamentale de la nature, appelée constante cosmologique, ajoutée aux équations de la relativité générale d’Einstein.

  • Hypothèse 2 : La densité d’énergie noire pourrait varier dans le temps, ce qui nécessiterait de revoir la théorie d’Einstein plus en profondeur.

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comment traquer la nature de l’énergie noire ?

Un des moyens pour cerner la nature de l’énergie noire est de mesurer l’histoire de l’expansion de l’Univers avec une grande précision.

Pour atteindre ce but, des « Grands relevés de galaxies » comme le programme eBOSS-SDSS4, qui vient de s’achever, ont vu le jour et dressent la carte à trois dimensions de l’Univers en mesurant le spectre de millions de galaxies.

Ces relevés exploitent le phénomène d’oscillation acoustiques baryoniques qui fait que les galaxies ne sont pas distribuées aléatoirement dans l’Univers mais qu’elles apparaissent plus souvent à une distance caractéristique les unes des autres ; c’est ce que l’on appelle une « règle standard ». En mesurant la position des galaxies à différentes époques, on mesure la manière dont cette règle standard a varié au cours du temps et on peut retracer l’histoire de l’expansion de l’Univers. Les résultats de ces relevés confirment à nouveau l’accélération de l’expansion. La combinaison avec les résultats des relevés de supernovae et la mesure du fond diffus cosmologique établit que la nature de l’énergie noire est tout à fait en accord avec l’ajout d’une constante cosmologique dans les équations d’Einstein.

Les équipes françaises et internationales sont d’ores et déjà fortement impliquées dans la préparation et la construction de la prochaine génération de grands relevés spectroscopiques : le téléscope au sol DESI (Dark Energy Spectroscopic Instrument), le satellite Euclid de l’Agence Spatiale Européenne ainsi que le télescope au sol Rubin Observatory-LSST (Large Synoptic Survey Telescope).

Le programme d’observations de DESI a débuté en mai 2021 et le satellite Euclid sera lancé à la fin 2022. Ils augmenteront le nombre d’objets de notre carte de l’Univers d’au moins un facteur 10 et permettront de resserrer encore plus le champ des possibles natures de l’énergie noire.





 
Notions clés

  • La relativité générale ​ou théorie relativiste de la gravitation a été établie entre 1907 et 1915 par Albert Einstein et s'appuie sur le principe d'équivalence établissant l'identité entre masse d'inertie et masse gravitante.

  • ​​Cette théorie, nécessitant une mathématique élaborée, remplace la force de gravitation de Newton par une courbure de l'espace-temps créée par la répartition des masses. Elle dicte à chacune d'elles son évolution future.

  • ​​​​​​​Cette théorie n'est indispensable que dans le cas où la gravitation est intense, à proximité d'objets très denses comme les trous noirs, ou dans le cas de la description de l'Univers entier.



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DESI
Vue d’artiste montrant l’instrument Desi monté sur le télescope de 4 mètres Mayall à l’observatoire national Kitt Peak en Arizona. © 2010 The Regents of the University of California, through the Lawrence Berkeley National Laboratory).