Des physiciens apportent une nouvelle solution au problème de l'énergie sombre

Une équipe de physiciens franco-mexicaine vient de formuler une nouvelle solution théorique au problème de l’énergie noire. Le problème, c'est qu'elle exige de se débarrasser d'un des principes fondamentaux de la physique : la conservation de l'énergie.
23.1.17
La Nébuleuse d'Orion. Image: DES/Dark Energy Survey

Une équipe de physiciens franco-mexicaine vient de formuler une nouvelle solution théorique au problème de l'énergie sombre. Cette solution, détaillée dans un article publié dans Physical Review Letters, exige hélas de se passer de l'une des principes fondamentaux de la physique : la conservation de l'énergie. Il s'agit donc d'un tout nouveau cadre théorique au sein duquel l'énergie sombre représente la somme totale des minuscules fuites d'énergie non conservée réparties dans l'univers.

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Pour rappel, la loi de la conservation de l'énergie nous dit que l'énergie d'un système isolé ne peut être créée à partir de rien, ni disparaître : elle peut seulement changer de forme. Par exemple, l'énergie chimique se transforme en énergie électrique dans une batterie, l'énergie cinétique se transforme en énergie thermique par friction, et l'énergie potentielle se transforme en énergie cinétique lorsqu'un parachutiste saute d'un avion. Tout l'édifice de la physique newtonienne et de la physique quantique dépend de cette loi.

L'énergie sombre quant à elle, est ce vaste « quelque chose » qui constitue 68% de toute l'énergie contenue dans l'univers. C'est une force répulsive – elle écarte les choses les uns des autres, les repousse constamment. À cause d'elle, l'univers n'est pas seulement en expansion, mais en expansion accélérée : l'espace vide engendre de l'énergie sombre qui engendre à son tour de l'espace vide. Un jour, l'univers aura cet aspect désolant : un espace uniformément vide et froid.

Théoriquement parlant, l'énergie sombre n'a que vingt ans à peine. Dans les années 1990, grâce aux observations réalisées à l'aide du télescope spatial Hubble, les astronomes ont réalisé que l'expansion de l'univers accélérait constamment, sous l'effet d'une force répulsive que l'on a finalement baptisée « énergie sombre ». Curieusement, vers 1917, Einstein avait eu recours à un équivalent théorique de l'énergie sombre, une force qui aurait permis de neutraliser les effets de la gravitation à l'échelle cosmique afin que l'univers puisse demeurer dans un état plus ou moins statique, sans s'effondrer sur lui-même.

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Cette force, c'est la fameuse constante cosmologique d'Einstein. Très vite, de nouvelles observations de l'expansion cosmique ont poussé les astronomes à abandonner cette hypothèse, que l'on a enterrée jusqu'à la découverte de l'énergie sombre dans les années 90. À ce moment-là, l'accélération de l'expansion de l'univers et son énergie sombre avaient peu ou prou le même rôle théorique que la constante cosmologique d'Einstein, qui avait imaginé une force répulsive capable d'imprégner l'espace vide : la constante cosmologique est donc revenue au goût du jour.

Nous savons que l'espace vide contient en réalité des « particules virtuelles », dans la mesure où la physique quantique stipule que l'espace vide n'est jamais vraiment vide. Ainsi, plus l'univers s'élargit, plus il contient d'espace vide, et plus il contient d'énergie répulsive. Cette explication est commode pour justifier l'existence de l'énergie sombre, mais elle n'est pas tout à fait cohérente : l'énergie répulsive de ces particules virtuelles est beaucoup plus faible que l'énergie dont on aurait besoin pour expliquer l'expansion de l'univers. Le mystère n'est toujours pas résolu, et nous n'avions aucune explication convaincante de l'énergie sombre à ce jour.

C'est là que notre équipe franco-mexicaine intervient. Dans son article, elle explique que « depuis la découverte de l'accélération de l'expansion de l'Univers, il y a 20 ans, la communauté scientifique est restée perplexe devant la valeur de la constante cosmologique Λ proposée ; il s'agissait pourtant du modèle théorique le plus simple et le plus raffiné capable d'expliquer les phénomènes observés », rappellent les auteurs. « De fait, dans le cadre théorique habituel, les deux valeurs que Λ peut emprunter sont soit zéro, soit une valeur 120 fois plus grande que celle indiquée par les observations. »

À l'inverse, dans le nouveau cadre théorique proposé par les scientifiques, la constante cosmologique n'est pas vraiment une constante : Λ change en fonction des fuites d'énergie minuscules que j'évoquais tout à l'heure, et fonctionne comme « un enregistrement de la non conservation de la relation entre l'énergie et la quantité de mouvement au cours de l'histoire de l'Univers. » Ce n'est que lorsque l'univers a atteint sa taille actuelle que la matière s'est trouvée suffisamment diluée par l'énergie sombre pour que Λ emprunte l'aspect d'une constante.

La façon dont ces fuites d'énergie sont censées se produire est plus difficile à expliquer. Pour commencer, il faut imaginer la gravitation comme une feuille continue sur laquelle chaque point possède une valeur, de l'infiniment grand à l'infiniment petit. La physique quantique s'intéresse à ce qui se passe lorsque nous prenons des champs apparemment continus, et que nous les rendons « granuleux » ou quantifiés (par exemple lorsque les ondes lumineuses deviennent des « paquets » de lumière distincts les uns des autres, les photons). Nous n'avons pas encore de théorie quantique de la gravitation, mais si nous parvenons à imaginer comment les champs gravitationnels continus deviennent des particules individuelles, alors nous pouvons imaginer également qu'une infime quantité d'énergie puisse être perdue au cours de la transition.

En conclusion, si cette perte d'énergie s'avérait être un phénomène réel, nous aurions effectivement une explication solide et cohérente à l'existence de l'énergie sombre. Le problème, c'est que cette explication exige elle-même d'être appuyée par une théorie de la gravitation quantique. Nous ne sommes donc pas près de pouvoir confirmer ou falsifier l'hypothèse de la matière sombre comme effet de la non-conservation de l'énergie.