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16 avril 2016 6 16 /04 /avril /2016 17:40

Mon intuition irait plutôt dans le sens de l'avènement d'un mouvement de contraction de notre Univers qui nous mènerait directement vers un Big Crunch, ce qui compléterait un cycle. Forcément un nouveau cycle débuterait avec un nouveau Big Bang. Bien malin celui qui pourrait dire si un cycle complet expansion-contraction s'étire sur quelques dizaines, quelques centaines ou quelques milliers de milliards d'années.

La nature de l’énergie noire, que l’on peut décrire en ajoutant aux équations de la relativité générale un terme baptisé « constante cosmologique », fascine probablement plus les théoriciens que celle de la matière noire. C’est d’elle que dépend le destin ultime de notre univers observable parce que c’est elle qui contrôle son expansion.

L’hypothèse la plus naturelle, peut-être la plus économe, consiste à l’interpréter comme la manifestation de l’état d’énergie minimale des champs de matières et de forces quantiques. Elle se comporte alors comme une vraie constante dans les équations d’Einstein, ce qui veut dire que sa valeur ne devrait pas changer dans l’espace ni dans le temps. Si tel est le cas, l’univers devrait continuer son expansion accélérée à tout jamais et, d’ici 3.000 milliards d’années, il sera méconnaissable. Ce ne sera peut-être pas sa fin si l’on croit à la théorie de la cosmologie conforme cyclique proposée par Roger Penrose.

Mais si l’énergie noire est la manifestation d’une nouvelle physique, avec par exemple un ou plusieurs champs scalaires variables, sa valeur peut évoluer dans le temps et peut-être dans l’espace. Il se peut alors que l’expansion se change en contraction et que le cosmos observable finisse par un Big Crunch, et éventuellement que celui-ci s’accompagne d’un rebond pour une nouvelle phase d’expansion

La constante de Hubble dépend de la nature de l'énergie noire

Or, plusieurs modèles dans lesquels l’énergie noire est variable prédisent que la fameuse constante de Hubble, qui est en quelque sorte une mesure de la vitesse d’expansion de l’univers, doit elle-même varier selon des lois précises, reflétant la nature de l’énergie noire. Cette constante ne l’était d’ailleurs pas vraiment, même en l’absence d’une constante cosmologique, mais c’est en mesurant ses variations dans le temps à l’aide des supernovae que Saul Perlmutter, Adam Riess et Brian Schmidt ont découvert avec leurs collègues la fameuse expansion accélérée de l’univers, et donc la présence de l’énergie noire.

Pour faire le tri entre toutes les lois possibles d’évolution dans le temps de la constante de Hubble, et donc les modèles admissibles d’énergie noire, il faut pouvoir mesurer précisément cette constante. C’est à cette tâche que s’est attelé Adam Riess. Le prix Nobel de physique a pour cela utilisé le télescope Hubble et, comme il l’explique avec ses collègues dans un article déposé sur arXiv, il est tombé sur une énigme.


Les éditions De Boeck ont proposé à l’astrophysicien Richard Taillet d’expliquer dans cette vidéo ce qu’est l’expansion de l’univers et pourquoi les cosmologistes y croient. On apprend ainsi que si l’un de ses principaux découvreurs, Edwin Hubble, ne croyait pas vraiment à l’explication de cette expansion dans le cadre de la théorie de la relativité générale d’Einstein, les observations modernes ne permettent plus d’en douter. L’espace entre les amas de galaxies est bien en expansion à la façon d’une feuille de caoutchouc que l’on étire. © DeBoeckEditions

Une accélération anormalement élevée de l'expansion de l'univers

Rappelons qu’en astrophysique, plus précisément en cosmologie, les échelles de distance sont déterminées à l’aide d’une série de méthodes qui prennent appui les unes sur les autres, de sorte que les différentes erreurs de mesures s’additionnent quand les distances des astres considérés augmentent. On utilise notamment des étoiles variables, les Céphéides, pour déterminer les distances des galaxies les plus proches. Cela permet d’étalonner en particulier d'autres « chandelles standards », en l’occurrence, des supernovae SN Ia. Très lumineuses, elles sont visibles à des milliards d’années-lumière. Ces explosions gigantesques sont censées avoir à peu près toutes la même puissance. Par conséquent, moins elles apparaissent lumineuses, plus elles sont loin. En mesurant les luminosités apparentes de plusieurs SN Ia, on a donc déterminé des distances. Leur décalage spectral vers le rouge indique la date de leur occurrence dans l’histoire de l’univers. Des mesures de date et de distance, cela nous donne des vitesses et, finalement, des changements de vitesses, c'est-à-dire des accélérations.

Les cosmologistes viennent d’affiner les mesures de distances de Céphéides dans des galaxies où ils ont observé des SN Ia. En complétant par d’autres mesures, ils ont alors pu déterminer de façon un peu plus précise la constante de Hubble. Les chercheurs n’ont plus qu’une erreur de 2,4 % sur sa valeur alors qu’elle était de 3,3 % il y a encore quelques années. L’amélioration semble faible mais elle suffit déjà pour mettre en évidence, à défaut de vraiment prouver, une accélération anormalement élevée de l’expansion de l’univers, non prédite à partir des analyses actuelles du rayonnement fossile observé par Planck dans le cadre du modèle cosmologique standard.

Les analyses des données de Planck semblent robustes. Donc, à moins d’un biais systématique quelconque dans les mesures réalisées par Riess et ses collègues (par exemple des chandelles standards qui ne le seraient pas), les données de Planck sont en désaccord avec celles de Hubble. Pour les accorder, il faudrait modifier le modèle cosmologique standard, c'est-à-dire nos idées sur l’énergie noire ou la matière noire. Jusqu’à aujourd’hui, les observations semblaient indiquer que l’énergie noire était bien décrite par une vraie constante cosmologique. Peut-être n’est ce pas le cas...

Une autre possibilité est qu’il existe une quatrième famille de neutrinos dans l’univers. Des neutrinos massifs dit stériles sont proposés depuis un certain temps comme des candidats crédibles au titre de particules de matière noire. Les données de Planck ne sont cependant pas très favorables à cette hypothèse, bien qu’elles ne puissent pas l’exclure selon les chercheurs. Dans tout les cas de figure, si cette accélération anormale existe vraiment, elle pointe vers de la nouvelle physique.


Alain Blanchard est un célèbre cosmologiste français. Membre de l'Institut universitaire de France, il est aussi professeur à l'université Paul Sabatier. Ses travaux concernent les amas de galaxies, le rayonnement fossile et la formation des structures en cosmologie. © IUF

Erreurs de mesure ou bien neutrinos stériles ?

L’année dernière, le cosmologiste Alain Blanchard nous avait expliqué que le catalogue des amas de galaxies dressé grâce aux observations de Planck entrait peut-être déjà en contradiction avec le modèle cosmologique standard. Pour lui, « c'est un des rares résultats de Planck qui pose question. Soit les masses des amas ont été correctement estimées par les observateurs et alors il faut revoir le modèle standard, par exemple en ajoutant des neutrinos massifs, soit les masses sont plus grandes et tout rentre dans l'ordre. Il y a donc deux tendances chez les cosmologistes : ceux qui ont confiance dans les estimations antérieures de masse des amas et qui sont prêts à revoir le modèle (la publication XX de la collaboration Planck en 2013 est un peu dans cet esprit) et ceux qui croient au modèle standard, pensant qu'il faut revoir les estimations de masse des amas (ce qui est l'esprit de la publication Planck 2013 XVI) ».

Contacté par Futura-Sciences, Alain Blanchard confirme qu’effectivement : « soit on croit aux mesures de la constante de Hubble par Riess, et aux mesures de Planck, et alors on a le signe d'une nouvelle physique, soit il y a une des données qui est un peu biaisée... Moi et mes collègues avions été confrontés au même problème avec l'abondance des amas de Planck, une situation que nous avions en fait déjà rencontrée (et titrée !) il y a une dizaine d'années, mais nous n’avions pas bénéficié de la publicité d'un prix Nobel... ».

Pour le chercheur, cette problématique, nouvelle physique ou biais dans les analyses, va probablement être très présente en cosmologie dans les années à venir.

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Published by Denis sur les changements climatiques.
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