énergie du vide

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.

Une surface noire et froide – voilà à quoi ressemblait depuis des milliards d'années l'océan d'énergie noire, cette substance invisible qui accélère l'expansion de l'univers. Mais le spectrographe DESI a capté une ride à peine perceptible.

Le monde quantique est souvent comparé à un instrument de musique. Chaque système — qu'il s'agisse d'un atome ou d'une chaîne de particules — résonne à ses propres fréquences, que les physiciens appellent niveaux d'énergie. Dans les systèmes chaotiques, comme dans un orchestre sans chef, ces fréquences remplissent généralement toute la plage disponible sans lacunes.

Le vide quantique n'est pas un vide absolu. C'est plutôt une membrane tendue qui oscille constamment à cause de particules invisibles qui naissent et disparaissent. Même dans l'obscurité totale, cette membrane tremble.

Depuis que Saul Perlmutter et ses collègues ont découvert l'expansion accélérée de l'univers, les physiciens se creusent la tête sur la nature de l'énergie noire.

Aux tout premiers instants de l'Univers, il n'y avait pas la moindre trace d'énergie noire — cette force qui, aujourd'hui, éloigne les galaxies de plus en plus vite.

L'explosion d'une supernova lointaine nous a appris quelque chose de difficile à croire : le monde s'étend de plus en plus vite. Le moteur de cette accélération est l'énergie noire — près de 70 % de tout ce qui existe.

Tout a commencé par un déficit de masse. Dans les années 1930, Fritz Zwicky, en mesurant les vitesses dans les amas de galaxies, fut le premier à soupçonner la présence d'une matière invisible.

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.

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.

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.

L'univers n'est pas un bloc monolithique, mais une toile tissée d'innombrables fils quantiques. La courbure de l'espace-temps ne s'écoule pas comme l'eau, elle vibre comme une tapisserie agitée par le vent. Longtemps, les physiciens n'ont vu que le motif d'ensemble, négligeant le tremblement des fils individuels.

Juste après le Big Bang, l'espace s'est dilaté à une vitesse inimaginable — c'est l'inflation. Aujourd'hui, l'expansion a ralenti, mais les galaxies s'éloignent de plus en plus vite. La coupable de cette accélération a été nommée énergie noire.

Longtemps, l'énergie noire — cette force mystérieuse qui accélère l'expansion de l'Univers — a été considérée comme éternelle et immuable, telle une levure qui ne perdrait jamais de sa vigueur.

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.

L'énigme de l'énergie noire est un gouffre. La théorie quantique des champs prédit une densité 10¹²⁰ fois supérieure à celle observée. Dans le paysage des cordes, cet abîme prend forme – une myriade de vides avec des énergies différentes, et nous nous sommes nichés dans l'un d'eux.

L'Univers ne supporte pas la monotonie. Il y a un siècle, Edwin Hubble et Georges Lemaître nous ont offert une image élégante : un cosmos en expansion, lisse comme la surface d'un ballon gonflé.

L'univers est structuré comme une éponge : il y a des régions denses, remplies de galaxies et de gaz, et des pores géants — les vides cosmiques. Ces vides occupent une grande partie de l'espace, mais leur contenu restait une énigme — la matière y se manifeste à peine.

Sur un beignet en caoutchouc est tendue une pellicule invisible — le champ quantique. Tant que le beignet est petit, la pellicule est tendue uniformément et ne s'affaisse nulle part : le vide reste vide. Mais dès qu'on étire le beignet jusqu'à une certaine taille, une bosse apparaît d'elle-même dans la pellicule — le champ commence à se faire sentir en chaque point.

La vapeur qui s'élève au-dessus d'un métal chaud est un spectacle familier dans nos cuisines. Mais si l'on prend du rubidium au lieu de l'eau, ce nuage se transforme en batterie. Elle ne fonctionne pas par réactions chimiques, mais par la coordination quantique des atomes.

Essayer de supprimer le bruit de fond d'une pièce en ajoutant un contre-son se termine par un hurlement des haut-parleurs si le schéma comporte une erreur. Un raté similaire s'est produit avec la théorie qui prétendait éliminer le principal grondement du cosmos — l'énergie noire, inexplicablement faible.

Un recensement, mais au lieu de maisons, des galaxies, et au lieu d'habitants, des étoiles. Des astronomes ont décidé de compter les plus petites et les plus faibles « fermes isolées » de notre voisinage cosmique — les galaxies naines.

Dans le modèle cosmologique standard ΛCDM, les galaxies s'éloignent sous la poussée de l'énergie noire, un ressort invisible. Cependant, différentes méthodes de mesure de la vitesse de l'expansion donnent des nombres différents, comme si la règle avait une échelle déréglée.

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.

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 est un gâteau préparé selon une seule recette, mais la cuillère à café et la balance de cuisine affichent obstinément des quantités de sucre différentes.

L'Univers joue une pièce de théâtre, et le rôle principal est dévolu à l'énergie noire. Pendant longtemps, l'acteur a semblé immuable : la constante cosmologique (l'énergie du vide qui accélère l'expansion de l'Univers) donnait le même ton.

Il y a cent ans, la mécanique quantique offrait au monde une image cohérente : la rotation d'une particule autour d'un point ne peut se faire qu'avec des quantités bien précises de moment cinétique, des nombres entiers multipliés par la constante de Planck.