Dans la cosmologie physique et l'astronomie, l'énergie sombre représente une forme hypothétique d'énergie influençant l'univers à ses échelles les plus expansive. Son principal impact est de propulser l’expansion accélérée du cosmos. Parallèlement, cela retarde le rythme de formation de la structure cosmique. En partant du principe que le modèle cosmologique lambda-CDM est précis, l’énergie sombre constitue la composante prédominante de l’univers, représentant 68 % de l’énergie totale de l’univers observable aujourd’hui. En revanche, la matière noire et la matière ordinaire (baryonique) contribuent respectivement à hauteur de 27 % et 5 %, les autres constituants comme les neutrinos et les photons étant largement insignifiants. La densité de l'énergie sombre est exceptionnellement faible, mesurée à environ 7 × 10−30 g/cm3 (équivalent à 6 × 10−10 J/m3 en énergie de masse), ce qui est considérablement inférieur aux densités de matière ordinaire ou noire trouvées dans les galaxies. Néanmoins, sa répartition uniforme dans l'espace lui permet de dominer le contenu masse-énergie total de l'univers.
En cosmologie physique et en astronomie, l'énergie noire est une forme d'énergie proposée qui affecte l'univers à grande échelle. Son principal effet est de stimuler l’expansion accélérée de l’univers. Cela ralentit également le taux de formation de la structure. En supposant que le modèle cosmologique lambda-CDM soit correct, l'énergie sombre domine l'univers, contribuant à 68 % de l'énergie totale dans l'univers observable actuel, tandis que la matière noire et la matière ordinaire (baryonique) contribuent respectivement à 27 % et 5 %, et d'autres composants tels que les neutrinos et les photons sont presque négligeables. La densité de l'énergie noire est très faible : 7×10−30 g/cm§910§ (§1415§×§1617§−10 J/m§1920§ en énergie de masse), bien inférieure à la densité de matière ordinaire ou de matière noire à l'intérieur galaxies. Cependant, elle domine le contenu masse-énergie de l'univers car elle est uniforme dans tout l'espace.
Les premières preuves observationnelles soutenant l'existence de l'énergie noire ont émergé des mesures des supernovas. Les supernovae de type Ia présentent une luminosité constante, ce qui en fait des indicateurs fiables pour les mesures de distance cosmique. Une comparaison de ces distances avec leurs redshifts respectifs, qui quantifient la vitesse de récession des supernovae, révèle une expansion accélérée de l'univers. Avant cette découverte, l’hypothèse scientifique dominante postulait que l’attraction gravitationnelle exercée par la matière et l’énergie au sein de l’univers ralentirait progressivement son expansion. Suite à l'identification d'une expansion accélérée, plusieurs éléments de preuve indépendants ont été découverts, confirmant davantage la présence de l'énergie noire.
La nature précise de l'énergie noire continue d'être énigmatique, ce qui a incité au développement de nombreuses explications théoriques. Les principaux candidats incluent une constante cosmologique, qui signifie une densité d'énergie uniforme pénétrant l'espace, et des champs scalaires, qui sont des entités dynamiques possédant des densités d'énergie qui fluctuent dans le temps et dans l'espace, illustrées par la quintessence ou les modules. Alors qu'une constante cosmologique maintient l'invariance dans les dimensions temporelles et spatiales, les champs scalaires sont intrinsèquement variables. D'autres hypothèses incluent l'énergie sombre en interaction , un artefact d'observation, le couplage cosmologique et la cosmologie des ondes de choc .
Contexte historique de la découverte et des spéculations antérieures
Constante cosmologique d'Einstein
La constante cosmologique représente le candidat théorique le plus simple pour l'énergie noire. Ce terme constant peut être incorporé dans les équations de champ d'Einstein de la relativité générale. Lorsqu'il est conceptualisé comme un « terme source » dans l'équation de champ, il peut être interprété comme équivalent à la masse de l'espace vide, qui pourrait théoriquement être positive ou négative, ou comme « l'énergie du vide ».
Einstein a initialement proposé la constante cosmologique comme mécanisme permettant de dériver une solution aux équations du champ gravitationnel qui donnerait un univers statique, utilisant essentiellement l'énergie noire pour contrecarrer les forces gravitationnelles. Einstein a désigné la constante cosmologique avec le symbole Λ (lambda majuscule). Einstein a postulé que la constante cosmologique nécessitait « un espace vide assumant le rôle de masses négatives gravitationnelles réparties dans tout l'espace interstellaire ».
Ce mécanisme illustre un réglage fin, et une compréhension ultérieure a révélé que le modèle d'univers statique d'Einstein serait intrinsèquement instable ; des inhomogénéités localisées précipiteraient inévitablement une expansion ou une contraction incontrôlée du cosmos. L’état d’équilibre est instable : une légère expansion de l’univers libérerait de l’énergie du vide, induisant ainsi une nouvelle expansion. A l’inverse, un univers subissant une contraction mineure persisterait dans sa contraction. Einstein a émis l’hypothèse que « l’espace vide » pouvait intrinsèquement posséder sa propre énergie. Cette énergie étant une caractéristique inhérente à l’espace, elle ne diminuerait pas avec l’expansion cosmique. L’émergence d’un espace supplémentaire manifesterait par conséquent davantage de cette énergie spatiale intrinsèque, conduisant à une expansion accélérée. De telles perturbations sont inévitables, compte tenu de la répartition hétérogène de la matière à travers l’univers. De plus, les observations menées par Edwin Hubble en 1929 ont démontré que l’univers est en expansion plutôt que de rester statique. Einstein aurait qualifié son erreur d'anticipation d'un univers dynamique, par opposition à un univers statique, de son erreur la plus importante.
Énergie noire inflationniste
En 1980, Alan Guth et Alexei Starobinsky ont proposé indépendamment qu'un champ de pression négative, conceptuellement apparenté à l'énergie noire, aurait pu propulser l'inflation cosmique dans l'univers naissant. L’inflation postule qu’une force répulsive, qualitativement similaire à l’énergie noire, a provoqué une expansion immense et exponentielle de l’univers dès ses premiers instants. Cette expansion constitue une caractéristique fondamentale de la plupart des modèles Big Bang contemporains. Néanmoins, il est théorisé que l’inflation s’est produite à une densité d’énergie nettement supérieure à celle de l’énergie sombre actuellement observée, se concluant entièrement alors que l’univers n’avait qu’une fraction de seconde. La relation précise, le cas échéant, entre l’énergie noire et l’inflation reste indéfinie. Historiquement, même après l'acceptation des modèles inflationnistes, la constante cosmologique était considérée comme sans conséquence pour l'univers actuel.
Énergie noire tardive
Presque tous les modèles inflationnistes prédisent que la densité totale de matière et d'énergie de l'univers devrait se rapprocher de la densité critique. Tout au long des années 1980, la recherche cosmologique s'est principalement concentrée sur des modèles postulant une densité critique composée uniquement de matière, comprenant généralement 95 % de matière noire froide (MDP) et 5 % de matière ordinaire (baryons). Bien que ces modèles aient réussi à simuler de manière réaliste la formation de galaxies et d’amas, des problèmes sont apparus à la fin des années 1980. Plus précisément, les modèles nécessitaient une valeur constante de Hubble inférieure aux préférences d’observation et un regroupement de galaxies à grande échelle sous-estimé. Ces défis se sont intensifiés après la découverte en 1992 de l'anisotropie du fond cosmique des micro-ondes par le vaisseau spatial COBE, ce qui a incité à enquêter activement sur plusieurs modèles MDP modifiés jusqu'au milieu des années 1990, notamment le modèle Lambda-CDM et un modèle mixte de matière noire froide/chaude. La preuve directe de l'énergie sombre s'est matérialisée pour la première fois en 1998 à partir d'observations de supernova, qui ont révélé une expansion cosmique accélérée, comme l'ont rapporté Riess et al. et Perlmutter et al.. Par conséquent, le modèle Lambda-CDM a pris de l’importance. Peu de temps après, des observations indépendantes ont corroboré l'existence de l'énergie sombre : en 2000, les expériences de fond micro-onde cosmique BOOMERanG et Maxima ont détecté le premier pic acoustique, indiquant que la densité totale de matière et d'énergie approche 100 % de la densité critique. Par la suite, en 2001, l'enquête 2dF Galaxy Redshift a fourni des preuves solides que la densité de matière constitue environ 30 % de la densité critique. La disparité substantielle entre ces résultats conforte la présence d’une composante d’énergie sombre lisse représentant le reste. Des mesures plus précises du WMAP entre 2003 et 2010 ont étayé davantage le modèle standard et ont donné des valeurs affinées pour les paramètres cosmologiques clés.
Le cosmologue Michael S. Turner a inventé le terme « énergie noire » en 1998 pour un article collaboratif rédigé avec Saul Perlmutter et Martin White.
Nature
La nature fondamentale de l'énergie noire reste plus spéculative que celle de la matière noire, avec de nombreux aspects encore théoriques. On suppose que l’énergie noire est très homogène et de faible densité, et on ne sait pas qu’elle interagit via des forces fondamentales autres que la gravité. Compte tenu de son caractère raréfié et insignifiant (environ 10−27 kg/m3), sa détection dans des expériences en laboratoire est improbable. Malgré son extrême dilution, l'énergie sombre exerce une profonde influence sur l'univers, constituant 68 % de la densité universelle, car on pense qu'elle imprègne uniformément l'espace autrement vide.
L'énergie du vide, définie comme la génération transitoire et l'annihilation mutuelle de paires particule-antiparticule dans un laps de temps cohérent avec le principe d'incertitude énergie-temps de Heisenberg, a souvent été proposée comme l'un des principaux contributeurs à l'énergie noire. Le principe d’équivalence masse-énergie de la relativité générale stipule que l’énergie du vide doit exercer une force gravitationnelle. Par conséquent, l’énergie du vide devrait contribuer à la constante cosmologique, qui influence directement l’expansion accélérée de l’univers. Néanmoins, le problème de la constante cosmologique met en évidence un écart substantiel entre la densité d'énergie du vide observée empiriquement et l'énergie théorique extrêmement importante du point zéro dérivée de la théorie quantique des champs ; ce problème fondamental persiste sans solution.
Indépendamment de sa composition précise, l'énergie sombre doit posséder une pression négative substantielle pour expliquer l'expansion accélérée observée du cosmos. La relativité générale postule que la pression interne d'une substance, ainsi que sa densité de masse, contribuent à son influence gravitationnelle sur d'autres entités. Ce phénomène se produit parce que le tenseur contrainte-énergie, qui englobe à la fois la densité d'énergie (ou de matière) et la pression d'une substance, est la grandeur physique fondamentale responsable de la génération des effets gravitationnels. Dans le cadre de la métrique de Friedmann – Lemaître – Robertson – Walker, une pression négative (c'est-à-dire) omniprésente, forte et constante dans tout l'univers induit manifestement une accélération de l'expansion cosmique si l'univers est déjà en expansion, ou une décélération de la contraction s'il est déjà en contraction. Cette expansion accélérée est parfois appelée « répulsion gravitationnelle ».
Définition technique
Les modèles cosmologiques standards identifient trois constituants principaux de l'univers : la matière, le rayonnement et l'énergie noire. La matière est caractérisée par une densité d'énergie qui évolue inversement avec le cube du facteur d'échelle cosmique, spécifiquement ρ ∝ a−3. À l'inverse, le rayonnement présente une densité d'énergie qui évolue inversement avec la quatrième puissance du facteur d'échelle (ρ ∝ a−4). Ce comportement d'échelle peut être saisi intuitivement : si une particule ordinaire réside dans un volume cubique, doubler la longueur du bord de la boîte réduit sa densité, et par conséquent sa densité d'énergie, d'un facteur huit (2§1617§). Pour le rayonnement, la réduction de la densité d'énergie est plus prononcée, car une expansion de la distance spatiale non seulement dilue l'énergie mais induit également un redshift, diminuant ainsi l'énergie par photon (voir la relation de Planck).
La troisième composante, l'énergie sombre, représente une caractéristique inhérente de l'espace lui-même, maintenant une densité d'énergie constante quelles que soient les dimensions du volume. (ρ ∝ a§56§). Par conséquent, contrairement à la matière conventionnelle, la densité de l'énergie noire n'est pas affectée par l'expansion cosmique.
Évolution temporelle de l'expansion cosmique
Des mesures précises de l'expansion de l'univers sont essentielles pour comprendre les variations temporelles et spatiales de son taux d'expansion. Dans le cadre de la relativité générale, l'évolution de ce taux d'expansion est dérivée de la courbure de l'univers et de l'équation d'état cosmologique, qui définit la relation entre la température, la pression et les densités combinées de matière, d'énergie et d'énergie du vide dans une région spatiale donnée. Un effort important dans la cosmologie observationnelle contemporaine consiste à déterminer l’équation d’état de l’énergie noire. L'incorporation de la constante cosmologique dans la métrique standard de Friedmann-Lemaître-Robertson-Walker (FLRW) donne le modèle Lambda-CDM, largement reconnu comme le « modèle standard de cosmologie » en raison de sa remarquable cohérence avec les observations empiriques.
En 2013, le modèle Lambda-CDM avait démontré sa cohérence avec un ensemble progressivement rigoureux d'observations cosmologiques, y compris les données du vaisseau spatial Planck et de Supernova. Enquête sur l'héritage (SNLS). Les premiers résultats du SNLS ont indiqué que le comportement moyen, en particulier l'équation d'état, de l'énergie noire se rapproche étroitement de la constante cosmologique d'Einstein, avec une précision de 10 %. Des données plus récentes de l'équipe Higher-Z du télescope spatial Hubble suggèrent que l'énergie noire est une composante persistante depuis au moins 9 milliards d'années, englobant l'époque précédant l'expansion accélérée de l'univers.
En mars 2025, la collaboration DESI (Dark Energy Spectroscopique Instrument) devrait annoncer la découverte de preuves de l'évolution de l'énergie noire. Cette preuve provient d'une analyse intégrant les données DESI sur les oscillations acoustiques baryoniques (BAO) avec le fond cosmique micro-ondes (CMB), les lentilles faibles et les ensembles de données de supernovae, présentant une signification statistique comprise entre 2,8 et 4,2σ. Ces résultats impliquent une diminution progressive de la densité de l'énergie noire au fil du temps.
Preuves observationnelles
Bien qu'indirectes, les preuves soutenant l'existence de l'énergie noire proviennent de trois domaines d'observation distincts et indépendants :
- Les mesures des distances cosmiques et leur corrélation avec le redshift indiquent que l'expansion de l'univers a été plus prononcée au cours de ses dernières étapes par rapport à son histoire antérieure.
- Un impératif théorique pour une composante énergétique supplémentaire, distincte à la fois de la matière ordinaire et de la matière noire, est nécessaire pour tenir compte de la géométrie observationnellement plate de l'univers, caractérisée par l'absence de toute courbure globale détectable.
- Observations des modèles d'ondes à grande échelle dans la densité de masse de l'univers.
Observations de supernovae
En 1998, l'équipe de recherche de supernovae à Z élevé a présenté des observations de supernovae de type Ia (« un-A »). Le projet Supernova Cosmology a ensuite proposé en 1999 que l'expansion de l'univers s'accélère. Le prix Nobel de physique 2011 a reconnu le leadership de Saul Perlmutter, Brian P. Schmidt et Adam G. Riess dans cette découverte.
Depuis ces premières découvertes, les observations ont été étayées par plusieurs sources de données indépendantes. Les données provenant d’analyses du fond cosmique des micro-ondes, d’études sur les lentilles gravitationnelles, d’enquêtes sur la structure à grande échelle du cosmos et de mesures raffinées de supernova se sont toutes alignées sur le modèle Lambda-CDM. Un contre-argument postule que la seule preuve de l’énergie sombre provient des observations des distances cosmiques et de leurs redshifts correspondants. Plus précisément, les anisotropies du fond cosmique des micro-ondes et les oscillations acoustiques des baryons indiquent simplement que les distances à un redshift particulier dépassent celles prédites par un univers de Friedmann-Lemaître « poussiéreux », compte tenu de la constante de Hubble mesurée localement.
Les supernovae jouent un rôle déterminant dans la cosmologie en raison de leur efficacité en tant que bougies standards sur les distances cosmologiques. Ils permettent aux chercheurs de connaître l'histoire de l'expansion de l'univers en examinant la corrélation entre la distance d'un objet et son redshift, qui quantifie sa vitesse de récession. Cette relation se rapproche de la linéarité, conformément à la loi de Hubble. Bien que la mesure du redshift soit relativement simple, déterminer la distance précise d'un objet présente un plus grand défi. Les astronomes utilisent généralement des bougies standards, des objets célestes dont la luminosité intrinsèque ou la magnitude absolue est connue. Cette connaissance facilite le calcul de la distance d'un objet en fonction de sa luminosité observée ou de sa magnitude apparente. Les supernovae de type Ia représentent les bougies standards les plus précises identifiées pour les distances cosmologiques, en raison de leur luminosité exceptionnelle et uniforme.
Les observations récentes de supernova sont cohérentes avec un univers composé à 66,6 % d'énergie noire et à 33,4 % d'un composite de matière noire et de matière baryonique, dans l'hypothèse d'un modèle cosmologique Lambda-CDM plat.
Structure à grande échelle
La théorie de la structure à grande échelle, qui décrit la formation de structures cosmiques, notamment les étoiles, les quasars, les galaxies et les amas de galaxies, indique en outre que la densité de matière de l'univers ne constitue que 30 % de la densité critique.
En 2011, l'étude des galaxies WiggleZ, englobant plus de 200 000 galaxies, a fourni des preuves supplémentaires soutenant l'existence de l'énergie sombre, bien que sa physique sous-jacente reste insaisissable. Menée par l'Observatoire astronomique australien, l'enquête WiggleZ a cartographié ces galaxies pour déterminer leurs redshifts. En exploitant les vides caractéristiques d’environ 150 Mpc de diamètre, régulièrement imprimés par des oscillations acoustiques baryoniques et entourés de galaxies, ces vides ont servi de règles standards. Cela a permis d'estimer la distance des galaxies jusqu'à 2 000 Mpc (redshift 0,6), facilitant ainsi les calculs précis des vitesses galactiques à partir de leur redshift et de leur distance. Les données collectées ont corroboré une accélération cosmique remontant à la moitié de l'âge actuel de l'univers (environ 7 milliards d'années) et ont limité son inhomogénéité à une partie sur dix. Cela offre une confirmation indépendante de l'accélération cosmique, distincte des observations de supernova.
Fond cosmique de micro-ondes
La présence d'énergie sombre, quelle que soit sa manifestation spécifique, est essentielle pour réconcilier la géométrie spatiale observée avec le contenu total de matière de l'univers. Les analyses des anisotropies du fond diffus cosmologique suggèrent que l’univers se rapproche d’une géométrie plate. Un univers plat nécessite que sa densité masse-énergie totale corresponde précisément à la densité critique. Cependant, le contenu global de matière de l'univers (comprenant à la fois la matière baryonique et la matière noire), dérivé du spectre du fond diffus cosmologique, ne constitue qu'environ 30 % de cette densité critique. Cet écart implique la nécessité d'une composante énergétique supplémentaire pour représenter les 70 % restants. Une analyse réalisée sur sept ans par le vaisseau spatial Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP) a estimé la composition de l'univers à 72,8 % d'énergie noire, 22,7 % de matière noire et 4,5 % de matière ordinaire. Des recherches ultérieures en 2013, utilisant les observations des données de fond cosmique micro-ondes du vaisseau spatial Planck, ont fourni une estimation affinée : 68,3 % d'énergie noire, 26,8 % de matière noire et 4,9 % de matière ordinaire.
Effet Sachs-Wolfe intégré tardif
L'expansion accélérée du cosmos induit l'aplatissement des puits et des collines de potentiel gravitationnel lors du passage des photons, entraînant la formation de points froids et chauds au sein du fond diffus cosmologique, qui sont en corrélation avec de vastes supervides et superamas. Ce phénomène, connu sous le nom d'effet Sachs-Wolfe intégré (ISW) tardif, sert d'indicateur direct de la présence de l'énergie noire dans un univers plat. Sa détection significative a été documentée en 2008 par Ho et al. et Giannantonio et al.
Données d'observation constantes de Hubble
Une nouvelle approche pour tester les preuves de l'énergie noire, utilisant des données d'observation de la constante de Hubble (OHD), également connues sous le nom de chronomètres cosmiques, a récemment attiré une attention particulière.
La constante de Hubble, notée H(z), est déterminée en fonction du redshift cosmologique. Les données d'observation constantes de Hubble (OHD) surveillent directement l'histoire de l'expansion de l'univers en utilisant des galaxies de type précoce à évolution passive comme « chronomètres cosmiques ». Par conséquent, cette méthode établit des horloges standards au sein du cosmos. Le principe fondamental consiste à mesurer l'évolution différentielle de l'âge de ces chronomètres cosmiques en fonction du redshift, donnant ainsi une estimation directe du paramètre Hubble.
L'utilisation d'une quantité différentielle, en particulier Δz/Δt,, offre des informations améliorées et des avantages informatiques, car elle peut atténuer de nombreux problèmes courants et effets systématiques. Alors que les analyses impliquant des supernovae et des oscillations acoustiques baryoniques (BAO) reposent sur des intégrales du paramètre de Hubble, la quantité Δz/Δt fournit une mesure directe. Par conséquent, cette méthodologie a été largement appliquée pour étudier l’expansion cosmique accélérée et caractériser les propriétés de l’énergie noire.
Théories de l'énergie noire
Étant donné sa classification comme force hypothétique aux caractéristiques indéterminées, l’énergie noire reste un sujet important de recherche en cours. Ce problème complexe est abordé sous de multiples perspectives, notamment la modification de la théorie établie de la gravité (relativité générale), les efforts visant à définir avec précision les propriétés de l'énergie noire et l'exploration d'explications alternatives pour les données cosmologiques observées.
La constante cosmologique
L'hypothèse la plus simple concernant l'énergie noire la pose comme une énergie intrinsèque et fondamentale inhérente à l'espace lui-même. Ce concept est incarné par la constante cosmologique, typiquement symbolisée par la lettre grecque Λ (Lambda), qui donne naissance au modèle Lambda-CDM. Conformément au principe d'équivalence masse-énergie, E = mc§89§, la théorie de la relativité générale d'Einstein prédit que cette énergie intrinsèque exerce une influence gravitationnelle. On l'appelle parfois énergie du vide en raison de sa représentation de la densité énergétique de l'espace vide, ou du vide.
Un problème non résolu important découle des théories quantiques des champs, qui prédisent une constante cosmologique qui est d'environ 120 ordres de grandeur plus grande que celle observée. Cette divergence nécessiterait une annulation presque, mais pas parfaitement, précise par un terme tout aussi substantiel de signe opposé.
Certaines théories supersymétriques nécessitent une constante cosmologique précisément nulle. La cohérence d’une constante cosmologique positive avec des interprétations simples de la théorie des cordes reste incertaine, en particulier dans les scénarios où l’univers est posé comme un faux vide caractérisé par une constante cosmologique positive. Ulf Danielsson et al. ont conjecturé la non-existence d'un tel État. Néanmoins, si la théorie des cordes exclut un tel faux vide, des modèles alternatifs d'énergie noire, y compris la quintessence, pourraient toujours être considérés comme viables.
Quintessence
Dans les modèles de quintessence de l'énergie noire, l'accélération observée du facteur d'échelle de l'univers est attribuée à l'énergie potentielle d'un champ dynamique, connu sous le nom de champ de quintessence. Une distinction clé entre la quintessence et la constante cosmologique est la capacité de la quintessence à varier spatio-temporelle. Pour éviter l’agglutination gravitationnelle et la formation de structures proches de la matière, le champ doit posséder une masse extrêmement faible, ce qui donne lieu à une longueur d’onde Compton substantielle. Dans ses formulations les plus simples, le champ de quintessence incorpore un terme cinétique canonique, présente un couplage minimal à la gravité et manque d'opérateurs d'ordre supérieur dans son lagrangien.
Actuellement, aucune preuve définitive de la quintessence n'existe, et son existence n'a pas non plus été réfutée. Généralement, les modèles de quintessence prévoient une accélération légèrement plus lente de l’expansion de l’univers par rapport à la constante cosmologique. Certains chercheurs proposent que des preuves irréfutables de la quintessence se manifesteraient par des violations du principe d'équivalence d'Einstein ou par des variations spatio-temporelles des constantes fondamentales. Alors que les champs scalaires sont prédits à la fois par le modèle standard de la physique des particules et par la théorie des cordes, un problème analogue au problème de la constante cosmologique (ou au défi de la construction de modèles d'inflation cosmologique) se pose : la théorie de la renormalisation suggère que les champs scalaires devraient acquérir des masses substantielles.
Le problème de la coïncidence aborde la question de savoir pourquoi l'accélération de l'univers a commencé à l'époque observée. Si l’accélération avait été initiée plus tôt, les structures cosmiques comme les galaxies n’auraient pas eu suffisamment de temps pour se former, empêchant ainsi l’émergence de la vie telle qu’on la comprend actuellement. Les partisans du principe anthropique interprètent cette observation comme une corroboration de leurs hypothèses. Néanmoins, de nombreux modèles Quintessence intègrent un comportement de « tracker », qui offre une solution à ce problème. Dans ces modèles, la densité du champ de quintessence suit de près (bien qu'elle reste inférieure) à la densité de rayonnement jusqu'à l'époque de l'égalité matière-rayonnement, moment auquel la quintessence commence à agir comme une énergie sombre, devenant finalement le composant dominant de l'univers. Ce mécanisme établit intrinsèquement l'échelle de basse énergie caractéristique de l'énergie noire.
En 2004, des analyses corrélant l'évolution de l'énergie noire avec des données cosmologiques ont indiqué que l'équation d'état pourrait avoir traversé la frontière constante cosmologique d'une valeur supérieure à une valeur inférieure à -1. Un théorème de non-droit a démontré que ce scénario nécessite des modèles incorporant au minimum deux types de champs scalaires distincts. Ce scénario particulier, appelé Quintom, a été initialement proposé par le groupe de recherche de Xinmin Zhang en 2004.
Les variantes spécifiques de la quintessence incluent l'énergie sombre fantôme, caractérisée par une densité d'énergie qui augmente avec le temps, et l'essence k (quintessence cinétique), qui présente une forme d'énergie cinétique non standard, comprenant potentiellement de l'énergie cinétique négative. Ces variantes peuvent présenter des propriétés anormales ; par exemple, l'énergie sombre fantôme est théorisée pour conduire à une singularité « Big Rip ».
En 2021, un collectif de recherche a postulé que les observations liées à la tension de Hubble pourraient suggérer la viabilité uniquement de modèles de quintessence possédant une constante de couplage non nulle.
Interaction de l'énergie noire
Cette classe de théories s'efforce de formuler un cadre théorique unifié pour la matière noire et l'énergie noire, en les conceptualisant comme un phénomène singulier qui modifie les lois gravitationnelles à différentes échelles. Par exemple, de telles théories pourraient traiter l’énergie noire et la matière noire comme des manifestations distinctes de la même substance inconnue, ou proposer la désintégration de la matière noire froide en énergie noire. Une autre catégorie de théories unifiant la matière noire et l’énergie noire comprend les théories de la gravité modifiée covariante. Ces cadres modifient la dynamique de l'espace-temps de telle sorte que la dynamique modifiée rend compte des phénomènes attribués à la présence d'énergie noire et de matière noire. En principe, l’énergie noire pourrait interagir non seulement avec le reste du secteur sombre mais aussi avec la matière ordinaire. Cependant, la cosmologie à elle seule ne suffit pas à contraindre de manière robuste la force du couplage entre l'énergie noire et les baryons, ce qui nécessite l'emploi d'autres techniques indirectes ou de recherches en laboratoire. Au début des années 2020, on a temporairement émis l'hypothèse qu'un signal anormal détecté dans le détecteur XENON1T en Italie pourrait provenir d'un modèle caméléon d'énergie noire, mais des expériences ultérieures ont réfuté cette possibilité.
Modèles d'énergie noire variable
La densité de l'énergie noire a peut-être fluctué au cours de l'histoire de l'univers. Les données d'observation contemporaines permettent d'estimer la densité actuelle de l'énergie noire. Les oscillations acoustiques des baryons facilitent l'étude de l'influence de l'énergie noire tout au long de l'histoire cosmique et de la contrainte des paramètres régissant son équation d'état. Ainsi, de nombreux modèles ont été avancés. Un exemple marquant est le modèle Chevallier-Polarski-Linder (CPL). D'autres modèles notables incluent Barboza & Alcaniz (2008), Jassal et al. (2005), Wetterich (2004) et Oztas et al. (2018).
Des preuves observationnelles émergentes suggèrent que l'énergie noire présente un déclin temporel. Les données de l'instrument spectroscopique de l'énergie noire (DESI), qui surveille l'ampleur des oscillations acoustiques des baryons tout au long de l'expansion cosmique, indiquent que la densité de l'énergie noire était environ 10 % plus élevée il y a 4,5 milliards d'années. Néanmoins, les données disponibles actuellement sont insuffisantes pour exclure définitivement que l'énergie noire soit une constante cosmologique.
Alternatives à l'énergie noire
Théories de la gravité modifiées
Les preuves soutenant l'énergie noire reposent fondamentalement sur la théorie de la relativité générale. Il est donc plausible que des modifications de la relativité générale puissent éviter la nécessité de recourir à l’énergie noire. De nombreux cadres théoriques de ce type existent et des recherches actives se poursuivent. La mesure de la vitesse de la gravité lors du premier événement d'onde gravitationnelle détecté par des moyens non gravitationnels (GW170817) a invalidé un nombre important de théories gravitationnelles modifiées comme explications viables de l'énergie noire.
L'astrophysicien Ethan Siegel affirme que, malgré l'attention médiatique grand public suscitée par de telles alternatives, le consensus écrasant parmi les astrophysiciens professionnels affirme l'existence de l'énergie noire, et aucune théorie concurrente existante ne rend compte des données d'observation avec la même degré de précision que le modèle standard d'énergie noire.
Scepticisme observationnel
Certaines alternatives à l'énergie noire, comme la cosmologie inhomogène, s'efforcent d'élucider les données d'observation grâce à une application plus sophistiquée de cadres théoriques établis. Dans ce scénario, l’énergie sombre ne devrait pas exister, mais plutôt représenter un artefact de mesure. Par exemple, si les observateurs sont situés dans une région sous-dense de l’espace, le taux d’expansion cosmique observé pourrait être interprété à tort comme une variation ou une accélération temporelle. Une autre méthodologie utilise une extension cosmologique du principe d'équivalence pour démontrer comment l'espace pourrait manifester une expansion accélérée dans les vides adjacents à notre amas de galaxies local. Bien que individuellement subtil, l’impact cumulatif de tels effets sur des échelles de temps cosmologiques pourrait devenir substantiel, générant ainsi la perception d’une accélération cosmique et suggérant une résidence dans une « bulle de Hubble ». D'autres hypothèses proposent que l'expansion accélérée de l'univers soit un phénomène illusoire résultant de notre mouvement relatif par rapport au cadre de repos cosmique, ou que les méthodologies statistiques utilisées étaient intrinsèquement imparfaites. Les expériences de détection directe en laboratoire n'ont jusqu'à présent pas permis d'identifier une force attribuable à l'énergie noire.
Les explications de l'énergie noire basées sur le scepticisme observationnel ont généralement reçu une acceptation limitée au sein de la communauté cosmologique. Par exemple, une étude proposant que l’anisotropie de l’univers local ait été interprétée à tort comme de l’énergie noire a été rapidement réfutée par une publication ultérieure identifiant des erreurs dans les travaux initiaux. De même, une autre enquête remettant en question la prémisse fondamentale selon laquelle la luminosité des supernovas de type Ia reste constante quel que soit l'âge de la population stellaire a été rapidement réfutée par d'autres cosmologistes.
Les trous noirs en tant que phénomène relativiste général
La théorie du « couplage cosmologique » a été avancée comme explication alternative des phénomènes d’énergie noire. Cette hypothèse postule que la description locale des trous noirs, régie par la métrique de Kerr, doit s'aligner sur la description cosmique globale fournie par la métrique de Friedmann-Robertson-Walker, plutôt que de supposer un espace-temps spatialement plat à des distances infinies. Par conséquent, les trous noirs devraient augmenter de masse à mesure que l’univers se dilate. On observe que ce taux d'accrétion est proportionnel à a§67§ , où a représente un facteur d'échelle pour la matière dans le cosmos. Un tel taux implique que la densité d’énergie associée aux trous noirs reste constante au cours du temps cosmique, imitant ainsi le comportement de l’énergie noire. Cependant, d’autres astrophysiciens expriment leur scepticisme, citant diverses publications affirmant que la théorie est incompatible avec des données d’observation supplémentaires. A l'inverse, certaines recherches indiquent que les observations actuelles sont insuffisantes pour exclure définitivement ce modèle.
Cosmologie des ondes de choc
La cosmologie des ondes de choc, introduite par Joel Smoller et Blake Temple en 2003, conceptualise le Big Bang comme une explosion se produisant dans un trou noir, générant ainsi le volume croissant d'espace et de matière qui constitue l'univers observable. Une hypothèse connexe, développée par Smoller, Temple et Vogler, suggère que cette onde de choc aurait pu conduire à ce que notre région de l'univers possède une densité inférieure à celle de son environnement, expliquant ainsi l'expansion accélérée généralement attribuée à l'énergie noire. Ils proposent en outre une prédiction testable pour cette théorie alternative : un univers gouverné par l'énergie sombre donnerait une correction cubique du redshift par rapport à la luminosité de C = −0,180 à a = a, alors que le modèle de Smoller, Temple et Vogler prédit une valeur positive pour C. Leur calcul plus précis pour l'alternative du modèle d'onde de choc indique que la correction cubique du redshift par rapport à la luminosité à a = a est C = 0,359.
Alors que la cosmologie des ondes de choc génère un univers qui semble « essentiellement identique à celui des conséquences du Big Bang », les cosmologistes s'accordent généralement sur le fait qu'il nécessite un développement substantiel avant de pouvoir être considéré comme un modèle plus avantageux que la théorie standard du Big Bang pour expliquer le cosmos. Plus précisément, et particulièrement en ce qui concerne l'alternative proposée à l'énergie noire, le modèle doit tenir compte de la nucléosynthèse du Big Bang, des caractéristiques quantitatives des anisotropies du fond diffus cosmologique, de la forêt Lyman-alpha et des données d'observation provenant d'études de galaxies.
Implications pour le destin ultime de l'Univers
Les cosmologues estiment que l'accélération cosmique a commencé il y a environ 5 milliards d'années. Avant cette période, l’expansion de l’univers aurait ralenti, principalement en raison de l’attraction gravitationnelle de la matière. Dans un univers en expansion, la densité de la matière noire diminue plus rapidement que celle de l’énergie noire, conduisant finalement à la domination de l’énergie noire. Par exemple, un doublement du volume de l'univers entraîne une réduction de moitié de la densité de matière noire, alors que la densité d'énergie noire reste presque constante (ou précisément constante dans le scénario d'une constante cosmologique).
Les projections futures varient considérablement en fonction des modèles spécifiques d'énergie noire utilisés. Dans des scénarios impliquant une constante cosmologique ou tout autre modèle postulant une accélération indéfinie, les galaxies au-delà du groupe local présenteraient une vitesse en ligne de mire qui augmente progressivement avec le temps, dépassant finalement la vitesse de la lumière. Ce phénomène ne contrevient pas à la relativité restreinte, car le concept de « vitesse » appliqué dans ce contexte diffère de la vitesse dans un référentiel inertiel local, où les objets massifs restent contraints à des vitesses inférieures à la lumière. (Les subtilités de la définition de la vitesse relative en cosmologie sont explorées plus en détail dans les discussions concernant la distance appropriée.) De plus, en raison de la diminution temporelle du paramètre de Hubble, il est concevable qu'une galaxie reculant plus rapidement que la lumière émette néanmoins un signal qui finit par atteindre un observateur.
Néanmoins, l'expansion accélérée devrait amener la plupart des galaxies à traverser un horizon d'événements cosmologiques. Au-delà de cette limite, toute lumière émise sera perpétuellement incapable de nous atteindre, car sa « vitesse particulière » vers nous ne dépassera jamais la vitesse d'expansion loin de nous. (Ces concepts de vitesse distincts sont également développés dans les discussions sur la distance appropriée.) En supposant une énergie sombre constante, telle qu'une constante cosmologique, la distance actuelle à cet horizon des événements cosmologiques est d'environ 16 milliards d'années-lumière. Par conséquent, un signal provenant d'un événement se produisant actuellement finirait par nous parvenir si l'événement se produisait dans un rayon de 16 milliards d'années-lumière, mais il n'arriverait jamais si l'événement se produisait au-delà de cette distance.
À mesure que les galaxies s'approchent de cet horizon des événements cosmologiques, leur lumière émise subira un redshift de plus en plus important, atteignant finalement des longueurs d'onde trop étendues pour une détection pratique, provoquant la disparition effective de ces galaxies de l'observation (voir L'avenir d'un univers en expansion). Dans ce scénario, la planète Terre, la Voie lactée et l’ensemble du groupe local de galaxies, y compris la Voie lactée, resteraient largement épargnés tandis que l’univers dans son ensemble reculerait et deviendrait inobservable. En fin de compte, le groupe local lui-même connaîtrait la mort thermique, un destin précédemment théorisé pour un univers plat dominé par la matière avant la découverte de l'accélération cosmique.
Au-delà de ces projections, il existe des théories plus spéculatives concernant le destin ultime de l'univers. Le modèle de l'énergie noire fantôme, par exemple, prédit une expansion divergente, suggérant que la force effective de l'énergie noire s'intensifierait continuellement jusqu'à ce qu'elle submerge toutes les autres forces fondamentales. Ce scénario culmine dans un « Big Rip », où l’énergie noire démantelerait progressivement toutes les structures liées gravitationnellement, des galaxies aux systèmes solaires, et finirait par vaincre les forces électriques et nucléaires, déchirant les atomes eux-mêmes. À l’inverse, l’énergie noire peut diminuer avec le temps, voire devenir attractive. Ces incertitudes laissent entrevoir la possibilité que la gravité finisse par dominer, conduisant à un « Big Crunch » où l'univers se contracte sur lui-même. Une autre hypothèse suggère un cycle d'énergie sombre, impliquant un modèle d'univers cyclique dans lequel chaque itération (d'un Big Bang à un éventuel Big Crunch) s'étend sur environ un billion (1012) d'années. Bien que les données d'observation ne soutiennent pas actuellement ces scénarios alternatifs, ils n'ont pas été définitivement réfutés.
En philosophie des sciences
L'astrophysicien David Merritt qualifie l'énergie noire d'« hypothèse auxiliaire », un postulat ad hoc introduit dans une théorie pour s'adapter aux observations falsifiées. Il soutient que l'hypothèse de l'énergie noire fonctionne comme une hypothèse conventionnaliste, ce qui signifie qu'elle manque de contenu empirique supplémentaire et est donc infalsifiable selon la définition de Karl Popper. Néanmoins, cette perspective n'est pas universellement acceptée au sein de la communauté scientifique.
Remarques
Remarques
Références
Le satellite Euclid de l'ESA est une mission dédiée à la cartographie de la géométrie de l'univers sombre.
- Satellite Euclid de l'ESA, une mission pour cartographier la géométrie de l'univers sombre
- "Surveying the dark side" par Roberto Trotta et Richard Bower, publié dans Astron.Geophys..