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Espace

Énergie noire: l’Univers s’étire-t-il plus vite que ce qu’on pensait?

18-04-2018

Supernova (NASA)

Propulsé par l’impulsion du big bang, l’Univers est, depuis sa naissance, en constante expansion. Mais jusqu’aux années 1990, les cosmologistes pensaient que cette expansion ralentissait peu à peu, « freinée » par la force d’attraction entre toutes les masses du cosmos.

C’est en voulant chiffrer ce ralentissement que deux équipes américaines ébranlent le dogme en 1998. Elles découvrent que, loin de ralentir, l’expansion de l’Univers accélère en fait depuis quelques milliards d’années. Un véritable coup de théâtre! « Or pour accélérer, que ce soit en vélo ou en automobile, il faut fournir de l’énergie », rappelle la physicienne québécoise Pauline Gagnon dans son livre Qu’est-ce que le boson de Higgs mange en hiver (Multimondes, 2015).

Cette énergie, une étonnante force dont on ne sait rien, est appelée faute de mieux « énergie noire » ou sombre. Elle constituerait 68% de l’Univers! « C’est considéré comme le problème le plus difficile de la physique actuelle. Il n’y a actuellement aucune bonne solution théorique pour expliquer l’énergie sombre », soulève Jean-François Arguin, physicien à l’Université de Montréal.

Les supernovas, des outils de mesure

Pour mesurer la vitesse d’expansion, les scientifiques utilisent les supernovas, des explosions d’étoiles dont la luminosité est toujours la même. En effet, l’explosion de ces naines blanches survient toujours dans les mêmes conditions, et émet de la lumière selon un « pattern » uniforme bien connu des chercheurs.

« Les supernovas sont ce qu’on appelle des chandelles standards, des sortes de gros gyrophares qui brillent toujours de la même manière. On sait quelle est la luminosité émise par ces objets : plus on les voit faibles, plus on sait qu’ils sont loin », explique Vivien Bonvin, chercheur à l’École Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL).

Une fois qu’on connait la distance, reste à mesurer la vitesse d’éloignement. Pour cela, on regarde le « décalage » du spectre lumineux vers le rouge, ou redshift en anglais. Ainsi, lorsqu’une étoile s’éloigne, parce que l’Univers s’étire, la longueur d’onde de son rayonnement s’allonge elle aussi, se décalant vers le rouge. (Si elle se rapprochait, la longueur d’onde rétrécirait, se décalant vers l’extrémité bleue du spectre.)

En 1998, les chercheurs américains ont scruté plusieurs supernovas, plus ou moins éloignées, pour mesurer leur décalage vers le rouge. « Si l’Univers n’était pas en expansion accélérée, mais juste en expansion, toutes ces supernovas auraient dû avoir la même vitesse d’éloignement. Mais ce n’est pas le cas : on voit que plus on regarde loin, plus elles s’éloignent rapidement. La vitesse change avec la distance », explique Vivien Bonvin. Seule explication, alors : l’expansion accélère sous l’effet d’une force inconnue, répulsive.

La constante de Hubble, qui est utilisée depuis les années 1920 pour désigner la vitesse d’expansion de l’Univers, n’est finalement pas si constante que cela… « Elle est constante dans l’espace, mais pas dans le temps », résume le physicien.

Sur la piste des quasars

En janvier 2017, l’équipe de Vivien Bonvin, qui fait partie de la collaboration HOLiCOW, un projet en cosmologie conduit par l’EPFL et le Max Planck Institute et qui regroupe plusieurs organisations de recherche dans le monde, a utilisé une autre technique pour mesurer la constante de Hubble. Leur astuce? Utiliser un phénomène cosmique appelé «lentilles gravitationnelles», dans lequel la masse énorme des galaxies courbe l’espace-temps.

« Les galaxies agissent alors comme des lentilles qui peuvent agrandir et déformer l’image normalement diffuse d’objets situés plus loin. Elles peuvent aussi produire plusieurs images des objets originaux «lentillés», et les faire apparaître multiples. Pour mesurer la Constante de Hubble, les scientifiques ont étudié la lumière en provenance de quasars vus de manière démultipliée en raison de l’effet de lentille gravitationnelle produit par des galaxies situées à l’avant-plan », peut-on lire sur le site de l’EPFL.

Les quasars sont des astres lointains extrêmement brillants, qui émettent de gigantesques quantités d’énergie électromagnétique.

« La magnitude des quasars présente des variations aléatoires au fil des ans, dont il résulte une oscillation apparente de leur intensité. Cette oscillation est vue de manière décalée dans chaque lentille gravitationnelle, parce que la lumière emprunte des chemins différents dans chaque image. Mais la distance que parcourt la lumière du quasar dans chaque image dépend de l’expansion de l’Univers, fixée par la Constante de Hubble », précise l’EPFL.

Avec cette technique, l’équipe de Vivien Bonvin a mesuré une constante de Hubble environ 10% plus forte que celle mesurée par d’autres équipes, notamment avec le satellite Planck. Une équipe américaine, menée par Adam Riess, qui a utilisé les supernovas, trouve elle aussi des valeurs un peu plus élevées que prévues : environ 72 km par seconde par mégaparsec (un mégaparsec représente environ 3,3 millions d’années-lumière) au lieu de 69.

« On reste très prudents. Cela ne veut pas dire que l’une est fausse et l’autre juste. Comme on ne mesure pas exactement la même chose, le fait qu’on ne soit pas d’accord veut peut-être dire qu’il y a quelque chose en plus, une physique que l’on n’a pas prise en compte », commente Vivien Bonvin. Il compte bien multiplier les calculs pour en avoir le cœur net.

« La prochaine étape, c’est d’être plus précis dans tout ce qu’on fait. On a observé trois systèmes différents d’objets fortement lentillés. On souhaite doubler ce nombre, pour être beaucoup plus précis. Hélas, ce n’est pas un phénomène qu’on voit facilement dans le ciel, mais avec les nouveaux télescopes sur tous les continents, on a des ouvertures », dit-il. Affaire à suivre.

 

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