L’énergie noire traquée par une panoplie de nouveaux télescopes
Cette illustration représente l’histoire de l’Univers, du bas (avec le big bang en blanc) vers le haut (aujourd’hui). Après le big bang, notre cosmos a subi une inflation spectaculaire, puis a continué à refroidir et à s’étirer, ce qui a rendu possible la formation des galaxies. Depuis six milliards d’années, l’expansion s’accélère. En cause: l’énergie noire. Image: Nicolle R. Fuller, National Science Foundation
À écouter parler les cosmologistes, on se demande parfois s’ils ne font pas de la magie noire plutôt que de la science. Non seulement ils lisent dans le passé de l’Univers en regardant les étoiles, mais ils parsèment en plus leurs discussions de mots aussi poétiques que mystérieux, comme céphéides et géantes rouges, chandelles standards et rayonnement diffus.
Bien sûr, leurs hypothèses sur l’histoire du cosmos reposent sur des observations validées, des lois physiques et de solides équations. Du big bang à aujourd’hui, leur théorie tient tout à fait la route – du moins, elle explique très bien ce que montrent les télescopes. À un détail près. Un détail énorme, qui prend de plus en plus de place, autant au sein de l’Univers lui-même que dans les congrès de cosmologie : l’énergie noire.
Le terme semble sorti d’un manuel de sorcellerie, mais il est bien choisi. Car, à première vue, cette force a tout d’un élément surnaturel. Impossible de la décrire ; elle ne ressemble à rien de ce qu’on connaît. Et pourtant, elle constitue à elle seule plus des deux tiers du contenu énergétique du cosmos. « La seule chose qu’on sait d’elle, c’est qu’on ne sait rien », résume humblement Robert Brandenberger, cosmologiste et professeur de physique théorique à l’Université McGill. Si on est certains de sa présence, c’est parce qu’on en mesure les effets : l’énergie noire pousse l’Univers à s’agrandir de façon accélérée, et elle gagne sans cesse en puissance.
Le télescope Mayall à l’Observatoire de Kitt Peak, aux États-Unis, a été équipé de l’instrument DESI, qui cartographiera plus de 35 millions de galaxies.
Ce phénomène énigmatique force les scientifiques à revoir toutes leurs certitudes. Pour investiguer, ils se sont dotés de télescopes puissants, qui opéreront depuis la Terre et dans l’espace. « On devrait avoir un portrait plus clair d’ici quelques années. C’est important d’avoir des programmes complémentaires pour voir si on fait les mêmes observations, ou si on décèle des incohérences. Cela va nous aider à savoir vers quelle théorie nous orienter », souligne Nathalie Palanque-Delabrouille, directrice du Département de physique du Lawrence Berkeley National Laboratory en Californie et porte-parole pour l’instrument DESI (pour Dark Energy Spectroscopic Instrument), en fonction sur un télescope d’Arizona depuis 2021.
Certes, l’énergie noire n’est pas le seul mystère à tenir les physiciens en haleine. À vrai dire, on ne sait expliquer que 5 % du contenu actuel de l’Univers, à savoir uniquement la matière visible, qui constitue les galaxies, les planètes, les humains et les extraterrestres potentiels. Les 95 % restants sont constitués d’énergie noire et de matière noire.
Cette dernière nous échappe elle aussi, mais on peut se la figurer plus facilement. Formée de particules inconnues, elle apporte de la masse aux galaxies et leur permet de ne pas se disloquer. De nombreux détecteurs sur Terre tentent d’ailleurs « d’attraper » ces grains invisibles…
L’énergie noire, elle, requiert un tout autre effort d’imagination. Est-ce un fluide, de la matière, une particule ? Sorte de « brouillard » omniprésent et répulsif, elle contrecarre la gravité ; sous son emprise, une pomme lancée en l’air se mettrait à accélérer vers le ciel plutôt que de retomber. « On est dans une situation paradoxale. On arrive à quantifier les composantes de l’Univers avec une précision de l’ordre du pour cent : 70 % d’énergie noire, 25 % de matière noire, 5 % de matière visible. Mais on ne sait rien des deux composantes majeures. C’est assez frustrant ! On aimerait vraiment comprendre leur nature », confie Nathalie Palanque-Delabrouille.
Comment s’y prendre ? Avant de plonger dans les détails techniques, des rappels sur l’histoire de l’Univers s’imposent. Vieux de 13,8 milliards d’années, l’Univers a d’abord connu une phase infiniment dense et chaude, puis son expansion a débuté de façon explosive. En se dilatant, il s’est refroidi, ce qui a permis aux premiers atomes d’émerger, puis aux galaxies de se former. Le cosmos s’étend encore aujourd’hui, comme un ballon qui gonfle tranquillement.
Sorte de « brouillard » omniprésent et répulsif, l’énergie noire contrecarre la gravité. Elle pousse l’Univers à s’agrandir de façon accélérée.
C’est ce que l’astronome américain Edwin Hubble a confirmé en 1929, en se basant sur d’autres travaux. En observant de lointaines galaxies, il constate que leur lumière nous parvient plus rouge que prévu. C’est le fameux « décalage spectral » (ou redshift), qui est semblable à ce qui se passe sur le plan sonore lorsqu’un camion de pompier passe devant nous. Lorsqu’il s’approche, le son de la sirène paraît plus aigu, et plus grave lorsqu’il s’éloigne. « Le redshift, ça revient au même. La lumière qui nous parvient d’un objet qui s’éloigne de nous en raison de l’expansion de l’Univers voit sa longueur d’onde étirée. Elle est décalée vers le côté rouge du spectre lumineux, car l’Univers s’est étiré entre le moment d’émission et l’observation », précise Nathalie Palanque-Delabrouille. Bref, les galaxies « s’éloignent » sous l’impulsion initiale du big bang, et elles fuient d’autant plus vite qu’elles sont lointaines.
En toute logique, on s’attendait à ce que cette expansion ralentisse peu à peu, freinée par la force d’attraction exercée par le contenu de l’Univers. Mais en 1998, coup de théâtre : deux équipes qui essaient de mesurer ce ralentissement à l’aide d’étoiles lointaines en explosion (voir ici) montrent qu’au contraire, l’expansion s’accélère. Comme si une force soufflait de plus en plus fort pour gonfler le ballon ! Les équipes en question se sont partagé le prix Nobel de physique en 2011 – non sans avoir fait voler en éclats le tableau plutôt cohérent dépeint jusqu’alors.
Quel est donc ce souffle venu de nulle part ? Les termes énergie noire ou énergie sombre émergent. N’y cherchez pas un sens profond ni une définition de sa nature. « C’est juste un nom ! Toutes les théories pour l’expliquer sont laborieuses », affirme Laurence Perreault-Levasseur, professeure au Département de physique de l’Université de Montréal.
En quelques mois de service, DESI a déjà cartographié 7 millions de galaxies. Cette carte préliminaire en représente 400 000. La Terre est au centre, et les galaxies les plus éloignées se trouvent à 10 milliards d’années-lumière.
Remonter le temps
Il a fallu du temps pour mettre au point les instruments nécessaires à la traque. « On veut mesurer ses propriétés et voir si sa valeur change dans le temps, en regardant loin dans l’histoire de l’Univers », résume-t-elle. Rappelez-vous : regarder « loin », en cosmologie, revient à voir le passé, puisque la lumière qui nous parvient aujourd’hui d’une étoile ou d’une galaxie l’a en fait quittée il y a très longtemps (même la lumière du Soleil met 8 minutes à nous parvenir). En fait, regarder loin permet d’observer des « strates » d’univers d’autant plus anciennes qu’elles sont éloignées.
La quête des cosmologistes commence donc par un coup d’œil dans le rétroviseur. Leur but : cartographier avec précision l’Univers pour retracer l’effet de cette force au fil des âges. C’est notamment le principe du projet DESI, qui récolte un flot de données depuis quelques mois. Pendant cinq ans, cet instrument fera un relevé de plus de 35 millions de galaxies pour dresser la plus grande carte tridimensionnelle du cosmos jamais établie. « DESI nous permettra de regarder jusqu’à 12 milliards d’années en arrière, avec une très grande précision », explique Nathalie Palanque-Delabrouille.
DESI est constitué de plusieurs spectrographes installés sur le télescope américain Mayall. En « décortiquant » la lumière des objets célestes en différentes longueurs d’onde, l’instrument mesure le décalage vers le rouge (et donc la distance) de quatre catégories d’objets, des plus proches aux plus lointains. Les grosses galaxies servent de repères jusqu’à quatre milliards d’années en arrière, puis c’est le tour des galaxies rouges, très lumineuses, jusqu’à huit milliards d’années, des jeunes galaxies bleues qui permettront de remonter à 10 milliards d’années, et enfin des quasars (des noyaux très actifs de galaxies) pour sonder l’Univers le plus ancien. Toutes les vingt minutes, DESI vise pas moins de 5000 cibles. Une cadence vertigineuse !
Une vue d’artiste du satellite Euclid de l’Agence spatiale européenne, dont le départ est prévu pour 2023. Il a pour objectif d’étudier les propriétés de l’énergie noire en scrutant la position d’un milliard de galaxies.
De son côté, le satellite Euclid, qui doit décoller en 2023, mènera un peu le même type d’enquête, cartographiant le tiers de la voûte céleste en profondeur (jusqu’à 10 milliards d’années). Ce télescope de l’Agence spatiale européenne doit évaluer le décalage vers le rouge de dizaines de millions d’entre elles. À eux deux, DESI et Euclid multiplieront par au moins 10 le nombre d’objets de notre carte de l’Univers.
L’observatoire Vera-C.-Rubin, actuellement en construction dans le désert d’Atacama, au Chili, prêtera main-forte à Euclid et à DESI. « Ce télescope optique va scanner tout le ciel de l’hémisphère Sud, toutes les trois nuits, pendant dix ans », indique Laurence Perreault-Levasseur. « Ce n’est pas un spectrographe, donc il n’offrira pas la troisième dimension, la profondeur. Mais son grand atout est sa cadence ; il va plutôt chercher les événements variables, comme les supernovæ », précise Nathalie Palanque-Delabrouille.
Ce que les chercheurs souhaitent observer en particulier, c’est le moment charnière où l’énergie sombre a commencé à stimuler l’expansion. Car ce coup d’accélérateur s’est surtout fait sentir sur les six derniers milliards d’années. Avant cela, l’énergie noire était probablement présente, mais discrète. « Son effet était moins apparent. Or au fur et à mesure que l’espace s’étend, il y a de plus en plus d’énergie noire. C’est contre-intuitif, mais elle ne se dilue pas dans l’espace, contrairement à la matière et à la radiation », explique Laurence Perreault-Levasseur. Si bien que, de négligeable, elle est devenue de plus en plus abondante, puis a pris le dessus sur la matière pour être aujourd’hui majoritaire. Comme si elle surgissait du vide, à mesure que celui-ci enfle !
Agencement cosmique
Au-delà de ce point de basculement, les scientifiques s’intéressent aux empreintes que l’énergie noire a laissées sur la géométrie de l’Univers, en particulier sur les amas de galaxies. Car ses propriétés dictent la vitesse et la manière dont ces grandes structures cosmiques se forment. Si la gravitation régit l’agrégation de la matière, son effet est contré par la dilution produite par l’expansion. Ainsi, plus celle-ci est rapide (donc plus il y a d’énergie noire), plus la formation des structures cosmiques est ralentie.
Fait intéressant, ces structures se sont agglutinées par endroits sur la toile de l’espace-temps, laissant d’autres pans du cosmos moins densément « peuplés ». « La répartition des galaxies n’est pas aléatoire, explique Nathalie Palanque-Delabrouille. En fait, on retrouve des motifs (voir l’encadré ci-dessous) qui sont liés à l’Univers primordial, des sortes d’anneaux sur lesquels se concentrent les amas de galaxies. » Ce n’est qu’en accumulant des millions de points que les chercheurs pourront, de manière statistique, repérer ces motifs circulaires. « En comparant ensuite leur taille à travers les époques, on verra comment ils ont grandi, ce qui donnera des indices sur le taux d’expansion et l’énergie noire. » Les premiers relevés cartographiques de DESI seront publiés sous peu, mais il faudra de longues analyses avant d’en savoir plus sur la nature de cette force répulsive…
C’est justement sur le décryptage des données que Laurence Perreault-Levasseur concentre ses efforts. « Cette nouvelle génération de télescopes va produire des quantités inouïes de données. Nous aurons besoin de l’intelligence artificielle pour accélérer les simulations et connecter nos observations aux paramètres qu’on veut mesurer », explique cette spécialiste de l’apprentissage machine appliqué à la cosmologie. « Sans ces outils automatiques, le décryptage des données prendrait littéralement des centaines d’années ! » souligne-t-elle. Les modélisations permettront de confronter différents scénarios d’expansion aux observations et de déduire ce qui colle le mieux à la réalité.
L’importance d’être constante
Dès que les mesures seront claires, les cosmologistes disposeront d’un premier élément de réponse, en découvrant si la densité de l’énergie sombre est constante dans le temps ou si elle fluctue. Le premier cas de figure est le plus simple : Albert Einstein lui-même avait introduit dans ses équations de la relativité générale une « constante cosmologique » qui pourrait bien correspondre à cette énergie. «Aujourd’hui, la constante cosmologique est compatible avec les observations. Rien ne nécessite qu’on aille au-delà», résume Jean-Philippe Uzan, physicien théoricien à l’Institut d’astrophysique de Paris. Mais selon la valeur de cette constante, que la panoplie de nouveaux instruments aidera à déterminer, on pourrait avoir plus ou moins de difficultés à faire tenir le modèle.
Seconde option : l’énergie noire n’en fait qu’à sa tête et varie au fil de l’histoire. « Beaucoup de voies ont été explorées, il y a des dizaines de modèles envisagés, poursuit Jean-Philippe Uzan. Si je devais parier, je ne saurais pas sur quoi miser ! Il pourrait s’agir d’un nouveau type de matière. Ou encore, nous pourrions être amenés à carrément modifier la relativité générale. »
Auquel cas Einstein se retournerait dans sa tombe, lui qui ne s’est jamais trompé jusqu’ici ! Peut-être que ses équations flanchent à très grande échelle, ou qu’il a tout simplement oublié un ingrédient, une cinquième force omniprésente, en plus des quatre connues qui régissent la physique. « On sait que la théorie d’Einstein n’est pas une théorie complète », rappelle Robert Brandenberger. La physique de l’infiniment grand et celle de l’infiniment petit, décrite par la mécanique quantique, sont presque parfaites chacune de leur côté, mais elles sont incompatibles… « Si on comprenait toutes les forces de manière quantique, on aurait peut-être une explication pour l’énergie noire. C’est l’idée à l’origine de la théorie des cordes », indique le physicien de l’Université McGill, qui travaille justement sur cette approche complexe, la plus étudiée des théories d’unification.
Autant dire que la question est épineuse. Et l’enjeu, majeur. Au-delà de l’élucidation de la nature profonde de notre Univers, cette quête permettra aussi de saisir son destin. Le cosmos s’étendra-t-il à jamais ? Si l’énergie noire vient à manquer, s’effondrera-t-il sur lui-même, dans un « big crunch » ?
Chose certaine, il y a des raisons d’espérer. « Ce genre de situation, où un modèle fonctionne très bien mais où une composante est manquante, s’est déjà produit par le passé. Ça a parfois conduit à de grandes découvertes, rappelle Nathalie Palanque-Delabrouille avec enthousiasme. C’est avec des masses manquantes qu’on a découvert Neptune, par exemple, et les neutrinos ! On est en train de scruter l’Univers avec une précision inédite, donc on espère qu’on va mettre le doigt sur le mystère. » Et enfin expliquer la magie noire par de la science.
Images : P. Marenfeld ; NOIRLab/NSF/AURA • ESA•D. Schlegel/Berkeley Lab à partir de données de DESI ; M. Zamani (NSF’s NOIRLab)•ESA/ATG medialab (satellite) ; NASA, ESA, CXC, C. Ma, H. Ebeling et E. Barrett (Université de Hawaii/IfA), et al. et STScI
