énergie négative

Au cœur d'une étoile à neutrons, la matière est si comprimée qu'une cuillère à café pèse un milliard de tonnes. On pourrait croire qu'il n'y a pas de meilleur endroit pour chercher des traces de gravité quantique. Mais entre le laboratoire et l'échelle fondamentale, il y a un gouffre de 10⁸⁰ en densité. Trois portes mènent à cette pièce.

Lorsqu'on gonfle un ballon trop rapidement, ses parois se mettent à vibrer. C'est à peu près ce qui se passait avec l'espace dans les tout premiers instants après le Big Bang : l'univers se gonflait à toute allure, et le tissu même de l'espace s'est mis à onduler.

Dans le cosmos lointain existe un objet hypothétique : un trou noir ultra-froid. Il est chargé et se trouve dans un univers en expansion (l'espace de Sitter). Sa température est proche du zéro absolu — environ un billionième de degré au-dessus.

L'univers ressemble parfois à un vieux tissu : après un refroidissement rapide, il pourrait y rester des plis — de fins fils presque invisibles d'une densité monstrueuse. On les appelle cordes cosmiques. Habituellement, au centre d'une telle corde se cache une singularité — un point où les lois de la physique perdent leur sens.

Deux balles lancées depuis des hauteurs différentes tombent au sol avec des accélérations différentes. Dans l'espace, tout est plus complexe : même le vide fait bouger les corps différemment.

Le moteur de distorsion repose sur l'idée d'Einstein selon laquelle les corps massifs courbent le courbure de l'espace-temps — cette scène même où se déroulent tous les événements cosmiques. Imaginez une bulle d'espace-temps courbé.

Le paradoxe des trous noirs a tourmenté les physiciens pendant des décennies. Si un trou noir disparaît, où va son contenu ? Les découvertes de Stephen Hawking et Jacob Bekenstein ont montré que pour sauver les lois de la nature, il faut une solution audacieuse.

Un trou noir ressemble à un aspirateur idéal : tout ce qui franchit son horizon disparaît sans laisser de trace. Mais cet aspirateur a une particularité étrange : son « sac à poussière » augmente, et la taille du sac permet de savoir combien de choses y sont tombées.

Un trou noir ressemble à un puits sans fond. On peut mesurer la quantité d'eau qui s'y est écoulée en observant le niveau depuis l'extérieur. Mais comment connaître la masse de l'eau elle-même si l'on se tient au fond du puits ? C'est à peu près ce problème que résolvent les auteurs de ce nouveau travail.

Un trou de ver est un tunnel dans l'espace-temps courbé qui raccourcit le chemin entre des régions éloignées. Dans la théorie d'Einstein, un tel tunnel s'effondre instantanément : pour qu'il tienne, il faut une « entretoise » faite d'une substance à énergie négative (antigravité).

L'espace-temps est comme une immense feuille de papier. Pliez-la – et des coins éloignés se retrouvent proches. Percez-la avec un crayon – vous obtenez un trou de ver, un tunnel court à travers les plis. Mais le papier tend à se déplier, refermant le passage. Pour le maintenir ouvert, il faut une « cale » rare : de la matière à énergie négative.

Un trou noir ressemble à un coffre-fort idéal : tout ce qui y tombe semble perdu à jamais. Mais à l'échelle microscopique, il ne détruit pas l'information, il la mélange avec ses degrés de liberté internes, un peu comme un jeu de cartes après un battage minutieux.

Depuis près d'un siècle, les astronomes observent que les galaxies tournent comme si une masse invisible les retenait. Le premier à l'avoir remarqué fut Fritz Zwicky, et Vera Rubin a mesuré avec précision la vitesse des étoiles aux confins.

Un trou de ver est un tunnel à travers la trame de l'courbure de l'espace-temps, une idée développée par John Archibald Wheeler et Kip Thorne. Comme un passage dans une montagne menace de s'effondrer, la gorge d'un trou de ver tend à se refermer.

Un café chaud posé sur la table refroidit : la chaleur se propage du centre chaud vers les bords. C'est à peu près ce que font, selon les auteurs, l'univers lui-même – mais à l'échelle de milliards d'années-lumière.

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.

Dès les années 1930, Fritz Zwicky avait remarqué que les vitesses des galaxies dans les amas étaient trop élevées pour la masse visible. Plus tard, Vera Rubin confirma ce phénomène pour des galaxies individuelles.

Imaginez un orchestre qui s'accorde : les violons montent en gamme — c'est le « chirp » familier des fusions de trous noirs dans les détecteurs LIGO. Maintenant, imaginez une marche funèbre : un son qui descend, comme une sirène qui s'éteint.

L'espace-temps ressemble parfois à une feuille de papier dans laquelle on pourrait percer un trou et relier les bords par un court tube — on obtiendrait un trou de ver. Dans les modèles mathématiques les plus simples de ces trous, apparaissent des champs scalaires sans masse — une sorte de brouillard invisible qui remplit tout autour.

Les trous noirs ne sont pas éternels : ils perdent lentement de l'énergie en émettant de l'entropie — une mesure de l'information cachée — sous forme de chaleur. Ce processus a été prédit par Stephen Hawking.

Une étoile qui a épuisé son carburant s'effondre sur elle-même. Ses couches externes sont éjectées, tandis que son noyau se comprime à des densités inimaginables. On a longtemps pensé que ce processus aboutissait à un point — une singularité — où les lois de la physique s'effondrent.

Une chaudière bouillonnante où éclatent de temps à autre des bulles de vapeur : voilà à quoi ressemblait l'Univers primordial. Tout l'espace était alors rempli d'un champ dans un état de faux vide, comme de l'eau surchauffée au-delà de son point d'ébullition.

Un entonnoir géant tourne à une vitesse prodigieuse. Si l'on y jette une corde, en fixant une extrémité au bord et en laissant l'autre à l'extérieur, l'entonnoir commence à enrouler la corde sur lui-même, la faisant tourner. C'est à peu près ce qui se passe pour une corde cosmique près d'un trou noir en rotation.

Quand les étoiles aux abords des galaxies tournent plus vite que prévu, on suppose généralement une matière noire cachée. La nouvelle étude s'en passe, de particules invisibles.

L'image habituelle : la gravité attire toujours. Mais si la masse se trouve en deux points à la fois, comme sur une photo en double exposition, tout bascule. La théorie quantique permet à une particule d'être à la fois ici et là – au sens littéral.

La gravité attire toujours — la pomme tombe, les planètes tournent sur leurs orbites. Mais en plaçant la source de courbure de l'espace-temps à deux endroits à la fois, on peut obtenir l'inverse. Des physiciens proposent une expérience : un corps massif est placé dans un état quantique, étalé dans l'espace comme un nuage.

La matière noire n'est peut-être pas faite de particules, mais de trous noirs datant du Big Bang.

L'univers s'étend de plus en plus vite, comme une pâte levée dans une cuisine. Cette expansion est propulsée par l'énergie noire — le sucre cosmique. Depuis que, à la fin des années 1990, des astronomes comme Adam Riess ont remarqué cette accélération, on en cherche la cause.

Une fusée ordinaire ne peut pas dépasser la vitesse de la lumière. Mais il existe un chemin détourné : ne pas déplacer le vaisseau, mais comprimer l'espace devant lui et le dilater derrière.

Les vortons sont des cerceaux cosmiques invisibles, des boucles fermées de courbure de l'espace-temps. Plus fins qu'un atome mais plus lourds que des étoiles, ces reliques du Big Bang tournent comme des manèges géants, enroulant tout autour d'eux.

Un trou noir n'est pas un entonnoir sans fond, mais une cocotte cosmique. À l'intérieur, la matière obéit à des lois que nous connaissons bien grâce au comportement de l'eau : selon les conditions, elle évoque de la vapeur bouillante ou un liquide qui refroidit.

Le télescope James Webb a repéré dans l'Univers primordial une multitude d'objets compacts surnommés « petits points rouges ». Ils sont trop rouges et trop faibles pour être des quasars ordinaires, et les astrophysiciens se demandent ce qui les alimente.