accélération et décélération cosmiques

Le cosmos est en expansion, et cette expansion s'accélère. Mais que se passerait-il si, dans les premiers instants après le Big Bang, la gravité agissait différemment ? Les auteurs de cette nouvelle étude ont ajouté aux équations d'Einstein un champ invisible qui capte l'énergie de la matière et du rayonnement ordinaires.

En 1929, Edwin Hubble a pointé son télescope vers des galaxies lointaines et a découvert qu'elles s'éloignent. Quatre-vingt-dix ans plus tard, deux mesures de cette vitesse d'éloignement – l'une issue de la lumière ancienne, l'autre d'étoiles proches – refusent obstinément de coïncider.

Les rides cosmiques commencent par de minuscules grumeaux. 380 000 ans après le Big Bang, l'Univers était presque homogène – les écarts de densité n'étaient que de 1/100 000. Mais la gravité a transformé ces faibles fluctuations en galaxies, amas et vides géants.

Un ordinateur quantique repose sur deux forces : l'intrication (les particules se comportent comme un tout) et la « magie » — une mesure de la distance d'un état par rapport à la physique classique habituelle.

Pendant des décennies, la radioastronomie a écouté l'espace, espérant capter des émissions radio à bande étroite — la « voix » technogénique d'exoplanètes lointaines.

En cosmologie, un drame se prépare : deux instruments principaux — l'orchestre de l'Univers primordial et l'ensemble de chambre du cosmos moderne — interprètent la même symphonie d'expansion à des tempos différents.

Le modèle standard de la cosmologie, qui s'appuie sur les équations d'Einstein proposées par Albert Einstein, décrit l'Univers comme un cocktail de matière noire (découverte grâce à Vera Rubin) et d'énergie noire dans…

Imaginez un orchestre cosmique jouant une symphonie du Big Bang à nos jours. Le chef — l'énergie sombre — a longtemps semblé être un métronome impassible : la constante cosmologique Λ est immobile, comme une baguette suspendue en l'air.

Quand nous plongeons notre regard dans le cosmos, nous voyons le passé. La loi d'Edwin Hubble transforme le décalage vers le rouge en machine à remonter le temps : la lumière de la galaxie UDS 12999 a mis 7,6 milliards d'années pour nous parvenir — plus de la moitié de la vie de l'Univers.

La constante cosmologique d'Einstein — erreur fâcheuse ou intuition revenue comme un boomerang ? L'accélération de l'Univers a pris les physiciens au dépourvu : le modèle ΛCDM fonctionne, mais pourquoi l'énergie du vide est-elle si ridiculement petite ?

L'Univers s'étend en accélérant — comme une pâte qui lève de plus en plus vite, alors que la levure est épuisée depuis longtemps. Depuis vingt ans, les astronomes cherchent la cause et l'appellent énergie noire. Mais ce que c'est reste une énigme. Un nouveau travail propose une source inattendue : le vide à l'intérieur du noyau atomique.

Depuis la fin du XXe siècle, on sait que l'expansion de l'Univers s'accélère : les galaxies s'éloignent de plus en plus vite. Cette découverte a valu le prix Nobel à Adam Riess, Saul Perlmutter et Brian Schmidt.

L'Univers grandit comme une métropole : les galaxies-gratte-ciel s'élèvent sur une charpente invisible faite de matière noire — sa gravité attire les matériaux de construction. Pendant ce temps, l'énergie noire fait continuellement s'étendre la ville elle-même.

Une immense ville allume chaque nuit de nouveaux réverbères. Mais un jour, un ouragan s'abat, arrache tout le carburant des entrepôts, et les réverbères s'éteignent un à un. C'est un peu ce que des astronomes ont observé dans une galaxie dont la lumière nous est parvenue après 12,5 milliards d'années.

On peut imaginer l'Univers à ses débuts comme une foule qui se disperse après un concert. Dans le modèle cosmologique standard ΛCDM, les gens errent en silence, sans se gêner. Mais que se passerait-il si des milliers de spectateurs se mettaient soudain à pousser légèrement leurs voisins ?

À la fin des années 1990, des astronomes, dont Saul Perlmutter, ont découvert que l'Univers est en expansion accélérée. La cause a été nommée énergie noire — une force invisible qui gonfle le cosmos.

Le vide cosmique n'est pas un néant, mais un océan vivant : son énergie monte et descend au rythme de l'expansion. Comme la marée lunaire, la densité du vide répond avec sensibilité à la baguette de chef d'orchestre de l'Univers qu'est le paramètre de Hubble.

La cosmologie est une musique des sphères, et la constante de Hubble nous a longtemps semblé un métronome fiable.

Notre Univers ne se contente pas de s'étendre — il le fait de plus en plus vite. C'est comme une pâte à raisins dans le four : les raisins s'éloignent les uns des autres, et plus ils sont déjà éloignés, plus vite ils continuent de se séparer. La force étrange qui repousse le cosmos a été nommée énergie noire.

Juste après le Big Bang, l'espace aurait pu vibrer sous l'effet des phénomènes quantiques, comme une corde de guitare. En s'atténuant, ces oscillations auraient laissé une marque dans la fuite des galaxies : un effet de mémoire.

L'Univers est en expansion, et son histoire comporte deux épisodes étonnants qui ne cadrent pas encore avec un modèle simple. Le premier est une courte période de jeunesse où tout s'éloignait plus vite que prévu, comme si quelqu'un avait appuyé sur l'accélérateur. Le second est l'accélération actuelle, comme si la même pédale était de nouveau enfoncée, mais plus doucement.

Un ballon gonflable se gonfle d'abord lentement, puis tout à coup – de plus en plus vite, comme si quelqu'un le gonflait de l'intérieur. C'est à peu près ainsi que se comporte notre Univers : les galaxies s'éloignent en accélérant. La coupable de cette accélération est appelée énergie noire.

L'univers est une immense ville. La matière noire en est la charpente invisible, et l'énergie noire la force qui étire les rues. Longtemps considérées comme indépendantes, une nouvelle étude les surprend en pleine conversation secrète.

Une galaxie, c'est un peu une autoroute cosmique où les étoiles, telles des voitures, filent en rond. Leur vitesse dépend de la « charge » invisible à l'intérieur de leur orbite : plus il y a de masse, plus les véhicules extérieurs vont vite.

Un pendule choisit lui-même la façon dont il oscille. Si on le pousse trop fort, il revient rapidement à un rythme régulier. Si on le maintient dans une position extrême, il reste immobile, mais dès qu'on le lâche, il reprend son mouvement habituel.

Dans un mince sandwich de semiconducteurs, la lumière crée des paires — un électron et un trou positif — qui restent liés comme une balle au bout d'un élastique. Habituellement, ces paires, les excitons, émettent rapidement de la lumière et disparaissent.

On gonfle un ballon. D'abord, il se dilate rapidement, puis plus lentement, et soudain, il accélère à nouveau, comme si quelqu'un actionnait une pompe. C'est précisément ce qui semble se passer avec notre Univers.

Deux trous noirs qui tournent l'un autour de l'autre se comportent comme un bateau qui rame avec des étoiles. Chaque étoile qui passe est rejetée, comme un coup de rame, et transmet de l'impulsion à la paire. On a longtemps pensé que cela ne faisait que rapprocher les trous noirs.

L'Univers est comme un ballon qui se gonfle. La mécanique quantique interdit de mesurer avec précision à la fois sa taille et la vitesse à laquelle il se dilate. Ce principe imprègne le cosmos : une nouvelle équation affirme que l'expansion de l'Univers et sa taille sont liées par une incertitude fondamentale.

On gonfle un ballon, mais à chaque pression sur la pompe, le caoutchouc ne se contente pas de s'étirer — il modifie légèrement son élasticité. De manière similaire, la gravité fonctionne dans ce nouveau modèle : non pas comme une scène rigide pour le spectacle cosmique, mais comme un matériau vivant qui réagit à chaque parcelle de matière.

Après le Big Bang, la matière noire et la matière ordinaire (principalement de l'hydrogène) se sont séparées en termes de vitesse.

On gonfle un ballon. D'abord, il se gonfle lentement, puis quelqu'un ajoute brusquement de l'air — et le ballon se dilate plus vite. Mais voilà que le flux d'air faiblit, et le ballon recommence à se gonfler plus lentement.

Personne n'a jamais vu la matière noire, mais chaque galaxie ressent son attraction. On se l'imagine souvent comme une mer de particules identiques et silencieuses. La nouvelle étude dresse un tableau plus vivant : deux sortes de particules, lourdes et légères, en échange constant.

Lancez deux cailloux identiques du sommet d'une montagne : si l'un atterrit un centimètre plus à gauche, au bout d'une minute ils se retrouveront dans des vallées différentes. La galaxie est comme cette montagne, mais avec des milliards de cailloux et une pente qui s'étire sur des millions d'années.

Les autres galaxies ne sont que d'anciennes photographies, mais nous observons la Voie lactée en direct.

Les galaxies s'éloignent, mais la vitesse d'expansion mesurée par la lueur résiduelle du Big Bang et par les explosions de supernovae ne coïncide pas – ce problème a été appelé la tension de Hubble. Comme deux danseurs qui perdent le rythme parce qu'ils ne se sentent pas l'un l'autre.

Des scientifiques ont proposé un modèle où la force mystérieuse (énergie noire) possède une sorte d'inertie : elle met du temps à réagir, comme un pendule lourd. De ce fait, l'expansion de l'Univers ne s'accélère pas indéfiniment, mais s'amortit, tel un pendule dans du miel épais.

Dans les années trente, Wolfgang Pauli comprit que sans de minuscules particules fantômes, l'énergie des étoiles ne quadrait pas. Ainsi naquirent les neutrinos — d'insaisissables vagabonds qui traversent tout.

L'Univers primordial était loin d'être parfait : certaines régions s'étiraient plus vite que d'autres, créant des plis et des distorsions. Mais le rebond quantique — le passage de la contraction à l'expansion, provoqué par les lois du monde microscopique — corrige tout.