Depuis les travaux d’Erwin Hubble en 1929 tout le monde, ou presque, s’accorde sur le fait que l’Univers est en expansion. Depuis 1998 on sait aussi que plus on s’éloigne plus cette expansion est rapide (1). Cette vitesse d’expansion est représentée par la constante de Hubble, H, dont la valeur mesurée par la méthode classique du décalage vers le rouge (redshift) est de l’ordre de 73 km/s/Mpc:
Une valeur de 70 km/s/Mpc pour la constante de Hubble signifie qu’une galaxie située à 1 mégaparsec (environ 3,26 millions d’années-lumière) de l’observateur s’éloigne du fait de l’expansion de l’univers (et donc hors effet d’un mouvement propre de l’objet, négligeable à très grande distance) à une vitesse d’environ 70 km/s. Une galaxie située à 10 Mpc s’éloigne à une vitesse de 700 km/s, etc.
https://fr.wikipedia.org/wiki/Constante_de_Hubble#Valeur_et_interpr%C3%A9tation_de_la_constante_de_Hubble
Pourtant de très récentes mesures utilisant une autre approche, non plus basée sur les caractéristiques de la lumière émise par ces galaxies mais en analysant les reliques des premiers instants du Big Bang, arrivent à une valeur de H de l’ordre de 67 km/s/Mpc. Une différence de 9% entre les deux mesures, et pas de juxtaposition possible des marges d’erreur. Qui a raison?
A priori impossible à dire car, des deux côtés, toutes les mesures sont cohérentes et valider un résultat reviendrait à invalider l’autre sans raison objective. La différence doit alors venir d’un problème plus fondamental dans la manière dont nous décrivons notre univers en général, et la mécanique derrière son expansion en particulier.
La vitesse d’expansion est dépendante de la densité énergétique. La Relativité Générale d’Einstein lie l’énergie, la vitesse d’expansion et la courbe globale de l’espace-temps. La masse de la matière au sein de l’univers ayant pour effet de contrer l’expansion (par la force de gravité qui fait que les masses s’attirent), la force d’expansion vient de quelque chose dont nous ignorons toujours la nature, cette fameuse énergie noire (2).
Sur un total de 100% de matière/énergie composant notre univers, les observations indiquent une proportion de 70% d’énergie noire, de 25% de matière noire et de 5% de matière “normale”. Pour le premier groupe (calcul de l’expansion basé sur la lumière), proposant une vitesse d’expansion de 73 km/s/Mpc, cela est cohérent avec le calcul de l’age de l’univers – 13,8 milliards d’années – déduit de la chimie des plus anciennes étoiles de la galaxie.
Du point de vue du second groupe, proposant une vitesse de 67 km/s/Mpc, une vitesse plus importante impliquerait un univers vieux de “seulement” 12,5 milliards d’années (il aurait mis moins de temps pour acquérir sa taille actuelle). Ce qui contredirait l’âge qui fait consensus basé sur les observations de la composition des étoiles.
Aucun des deux groupes ne fait d’erreur et pourtant ils ne peuvent tous deux avoir raison. Quoique.
Il est possible que les deux mesures soient correctes, et que la différence de résultat pointe non pas vers une erreur de méthode mais vers une erreur au sein de nos hypothèses concernant les lois de la physique ou la nature de l’univers. Il serait par exemple possible que:
- Notre région locale de l’Univers ait des propriétés particulières.
- L’effet de l’énergie noire varie dans le temps.
- La gravité opère de manière différente à l’échelle locale et à l’échelle cosmique.
- Il existerait un type de champ ou de force inconnue.
Variation de l’énergie noire?
De ces quelques hypothèse celle concernant la possible variation de l’énergie noire dans le temps, ce qui expliquerait une valeur faible au début de l’expansion (telle mesurée par le second groupe) et plus forte aujourd’hui, est celle retenue pour une future mission astrophysique dénommée WFIRST, un télescope spatial à infrarouges qui devrait être lancé vers 2025:
WFIRST doit, selon le rapport du Conseil National; étudier la nature de l’énergie sombre en utilisant trois techniques en parallèle : la mesure des oscillations acoustiques des baryons, la mesure des distances des supernovae et l’étude des lentilles gravitationnelles faibles. L’objectif est de déterminer l’impact de l’énergie sombre sur l’évolution de l’Univers.
https://fr.wikipedia.org/wiki/Wide_Field_Infrared_Survey_Telescope
A l’heure actuelle on considère que la densité de l’énergie noire est constante, c’est-à-dire qu’elle “compense” l’expansion de l’univers par une production continue lui permettant de garder une densité constante. Au contraire la matière “normale”, ainsi que la matière noire à priori, diminue en densité au fil du temps vu que sa masse globale est stable. Mais il est possible que l’énergie noire ait un comportement plus complexe, avec des variations au fil du temps. WFIRST devrait être capable de déterminer si la densité d’énergie noire fluctue.
Matière noire?
Il est intéressant de constater que ce questionnement sur la possible variabilité de l’énergie noire se télescope (!) avec un autre questionnement, celui de l’existence de la matière noire. Une théorie alternative, dite MOND (3), se développe depuis près de 40 ans et propose que la force de gravité varie, d’un poil, sur les très longues distances. Cette variation à priori surprenante (comme celle de l’énergie noire) pourrait alors expliquer la structure de l’univers sans faire appel à la magique matière noire.
Et pourtant une récente étude (4) semble démontrer qu’en fait non, on ne peut se passer d’une réelle matière noire (de nature toujours inconnue) pour expliquer l’univers. Le modèle standard matière + matière noire + énergie noire. Reste à découvrir la nature de ces entités aussi mystérieuses que fondamentales.
Ou la vérité est ailleurs… (5).
Liens et sources:
(1)
https://fr.wikipedia.org/wiki/Acc%C3%A9l%C3%A9ration_de_l%27expansion_de_l%27Univers
(2)
(3)
(5)
https://phys.org/news/2019-07-voracious-cambrian-predator-cambroraster-species.html
[…] L’énergie noire, arlésienne bien connue des lecteurs de ce blog où j’essaie de présenter les diverses hypothèses et recherches en cours pour en identifier – sans succès jusqu’à présent – la véritable nature. L’insuccès de cette recherche de longue haleine sur le côté sombre de l’univers fut récemment mis en lumière, s’il l’on peut dire, par une étude montrant que la mesure de cette fameuse expansion (due à l’énergie noire) posait elle-même problème (1). […]
Sujet abordé par Science et Avenir https://www.sciencesetavenir.fr/espace/univers/les-premiers-instants-la-brulante-question-de-l-expansion_139816