Énergie noire

Énergie noire, force répulsive qui est la composante dominante (69,4 %) de l’univers. La partie restante de l’univers est constituée de matière ordinaire et de matière noire. L’énergie sombre, contrairement aux deux formes de matière, est relativement uniforme dans le temps et l’espace et est gravitationnellement répulsive, et non attractive, dans le volume qu’elle occupe. La nature de l’énergie noire n’est pas encore bien comprise.

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astronomie : Énergie noire

Dans les années 1980, les astronomes ont commencé à utiliser les supernovae de type Ia comme bougies standard. On pense que celles-ci se produisent de la manière suivante . Un blanc…

Une sorte de force cosmique répulsive a été émise comme première hypothèse par Albert Einstein en 1917 et a été représentée par un terme, la « constante cosmologique », qu’Einstein a introduit à contrecœur dans sa théorie de la relativité générale afin de contrecarrer la force attractive de la gravité et de rendre compte d’un univers supposé statique (ni en expansion ni en contraction). Après la découverte dans les années 1920 par l’astronome américain Edwin Hubble que l’univers n’est pas statique mais en expansion, Einstein a qualifié l’ajout de cette constante de « plus grande gaffe ». Cependant, la quantité de matière mesurée dans le bilan masse-énergie de l’univers était invraisemblablement faible, et il fallait donc une « composante manquante » inconnue, un peu comme la constante cosmologique, pour combler le déficit. Des preuves directes de l’existence de cette composante, baptisée énergie sombre, ont été présentées pour la première fois en 1998.

L’énergie sombre est détectée par son effet sur le taux d’expansion de l’univers et son effet sur le taux de formation de structures à grande échelle, comme les galaxies et les amas de galaxies, par des instabilités gravitationnelles. La mesure du taux d’expansion nécessite l’utilisation de télescopes pour mesurer la distance (ou le temps de parcours de la lumière) des objets vus à différentes échelles de taille (ou décalages vers le rouge) dans l’histoire de l’univers. Ces efforts sont généralement limités par la difficulté de mesurer avec précision les distances astronomiques. Comme l’énergie sombre agit contre la gravité, une augmentation de l’énergie sombre accélère l’expansion de l’univers et retarde la formation de structures à grande échelle. Une technique pour mesurer le taux d’expansion consiste à observer la luminosité apparente d’objets de luminosité connue, comme les supernovas de type Ia. L’énergie sombre a été découverte en 1998 grâce à cette méthode par deux équipes internationales comprenant les astronomes américains Adam Riess (l’auteur de cet article) et Saul Perlmutter et l’astronome australien Brian Schmidt. Les deux équipes ont utilisé huit télescopes dont ceux de l’Observatoire Keck et de l’Observatoire MMT. Les supernovas de type Ia qui ont explosé lorsque l’univers n’avait que deux tiers de sa taille actuelle étaient plus faibles et donc plus éloignées qu’elles ne le seraient dans un univers sans énergie sombre. Cela signifie que le taux d’expansion de l’univers est plus rapide aujourd’hui qu’il ne l’était dans le passé, en raison de la prédominance actuelle de l’énergie sombre. (L’énergie sombre était négligeable dans l’univers primitif.)

L’étude de l’effet de l’énergie sombre sur la structure à grande échelle implique de mesurer les distorsions subtiles de la forme des galaxies résultant de la courbure de l’espace par la matière intervenante, un phénomène connu sous le nom de « lentille faible ». À un moment donné au cours des derniers milliards d’années, l’énergie sombre est devenue dominante dans l’univers et a ainsi empêché la formation de davantage de galaxies et d’amas de galaxies. Ce changement dans la structure de l’univers est révélé par la lentille faible. Une autre mesure consiste à compter le nombre d’amas de galaxies dans l’univers pour mesurer le volume de l’espace et la vitesse à laquelle ce volume augmente. Les objectifs de la plupart des études observationnelles de l’énergie noire sont de mesurer son équation d’état (le rapport entre sa pression et sa densité d’énergie), les variations de ses propriétés et le degré auquel l’énergie noire fournit une description complète de la physique gravitationnelle.

Dans la théorie cosmologique, l’énergie sombre est une classe générale de composantes du tenseur contrainte-énergie des équations de champ de la théorie de la relativité générale d’Einstein. Dans cette théorie, il existe une correspondance directe entre la matière-énergie de l’univers (exprimée dans le tenseur) et la forme de l’espace-temps. La densité de matière (ou d’énergie) (une quantité positive) et la pression interne contribuent toutes deux au champ gravitationnel d’un élément. Alors que les composantes familières du tenseur contrainte-énergie, telles que la matière et le rayonnement, produisent une gravité attractive en courbant l’espace-temps, l’énergie sombre provoque une gravité répulsive par le biais d’une pression interne négative. Si le rapport entre la pression et la densité d’énergie est inférieur à -1/3, ce qui est une possibilité pour un composant à pression négative, ce composant sera gravitationnellement autorépulsif. Si une telle composante domine l’univers, elle accélérera l’expansion de l’univers.

L’explication la plus simple et la plus ancienne de l’énergie noire est qu’il s’agit d’une densité d’énergie inhérente à l’espace vide, ou d’une « énergie du vide ». Mathématiquement, l’énergie du vide est équivalente à la constante cosmologique d’Einstein. Malgré le rejet de la constante cosmologique par Einstein et d’autres, la compréhension moderne du vide, basée sur la théorie quantique des champs, est que l’énergie du vide découle naturellement de la totalité des fluctuations quantiques (c’est-à-dire des paires particule-antiparticule virtuelles qui naissent et s’annihilent peu après) dans l’espace vide. Cependant, la densité d’énergie du vide cosmologique observée est de ~10-10 ergs par centimètre cube ; la valeur prédite par la théorie quantique des champs est de ~10110 ergs par centimètre cube. Cette divergence de 10120 était connue avant même la découverte de l’énergie sombre, beaucoup plus faible. Bien qu’une solution fondamentale à ce problème n’ait pas encore été trouvée, des solutions probabilistes ont été proposées, motivées par la théorie des cordes et l’existence possible d’un grand nombre d’univers déconnectés. Dans ce paradigme, la valeur étonnamment basse de la constante est comprise comme le résultat d’un nombre encore plus grand d’opportunités (c’est-à-dire d’univers) pour l’apparition de différentes valeurs de la constante et la sélection aléatoire d’une valeur suffisamment petite pour permettre la formation de galaxies (et donc d’étoiles et de vie).

Une autre théorie populaire pour l’énergie sombre est qu’il s’agit d’une énergie transitoire du vide résultant de l’énergie potentielle d’un champ dynamique. Connue sous le nom de  » quintessence « , cette forme d’énergie noire varierait dans l’espace et le temps, ce qui permet de la distinguer d’une constante cosmologique. Elle est également similaire par son mécanisme (bien que très différente par son échelle) à l’énergie du champ scalaire invoquée dans la théorie inflationniste du big bang.

Une autre explication possible de l’énergie sombre est celle des défauts topologiques dans le tissu de l’univers. Dans le cas de défauts intrinsèques de l’espace-temps (par exemple, des cordes ou des murs cosmiques), la production de nouveaux défauts à mesure que l’univers s’étend est mathématiquement similaire à une constante cosmologique, bien que la valeur de l’équation d’état des défauts dépende du fait que les défauts sont des cordes (unidimensionnelles) ou des murs (bidimensionnels).

Il y a également eu des tentatives pour modifier la gravité afin d’expliquer les observations cosmologiques et locales sans avoir besoin d’énergie sombre. Ces tentatives invoquent des écarts par rapport à la relativité générale à des échelles de l’ensemble de l’univers observable.

Un défi majeur pour comprendre l’expansion accélérée avec ou sans énergie noire est d’expliquer l’apparition relativement récente (au cours des derniers milliards d’années) d’une quasi-égalité entre la densité de l’énergie noire et de la matière noire, même si elles ont dû évoluer différemment. (Pour que les structures cosmiques se soient formées au début de l’univers, l’énergie sombre doit avoir été un composant insignifiant). Ce problème est connu sous le nom de « problème de coïncidence » ou de « problème de réglage fin ». Comprendre la nature de l’énergie noire et ses nombreux problèmes connexes est l’un des plus formidables défis de la physique moderne.