Des doutes sur l’existence de l’énergie noire ?

Des astrophysiciens ont conduit des simulations numériques qui reproduisent l’accélération de l’expansion de l’univers sans invoquer de la nouvelle physique. Résultat : l’énergie noire pourrait ne pas exister. Toutefois, cela ne remettrait nullement en cause la théorie du Big Bang.

Novembre 2015 fut marqué par le centenaire de la découverte par Einstein de la théorie de la relativité générale. Puis, en 2016 — soit cent ans après la découverte théorique de la première solution des équations d’Einstein décrivant un trou noir, par Karl Schwarzschild, et les premiers travaux d’Einstein sur les ondes gravitationnelles —, les membres de la collaboration eLigo ont annoncé la mesure directe sur Terre, pour la première fois, des ondes gravitationnelles provenant de la fusion de deux trous noirs.

En cette année 2017, nous pouvons à nouveau fêter un centenaire remarquable : celui de la découverte du tout premier modèle de cosmologie relativiste (en 1917, donc), et c’est encore à Einstein que nous devons cette découverte. Pour diverses raisons, pour construire ce modèle, le père de la relativité avait été conduit à introduire une nouvelle constante physique dans les équations de la relativité générale, naturellement permise, voire présente, du fait des principes mathématiques de cette théorie. Cette constante lui permettait notamment d’obtenir un univers statique et éternel, réminiscence du monde céleste supralunaire d’Aristote.

Einstein se trompait au moins sur un point : celui du caractère statique de l’espace-temps, comme devaient le montrer Friedmann, Hubble et Lemaître. Toutefois, en ce qui concerne la constante cosmologique, l’intérêt et la signification de sa nature ne cessent de fluctuer depuis lors.

Cosmologie

À la fin des années 1990, alors que cette constante avait été éliminée des modèles de cosmologie relativiste, la découverte de l’expansion accélérée de l’univers observable imposa sa réintroduction. Un prix Nobel fut accordé en 2011 aux découvreurs mais, prudemment, il se limita à récompenser la découverte de cette accélération et ne célébra pas du tout son interprétation possible, avec la présence de la constante cosmologique d’Einstein, à savoir l’existence de l’énergie noire.

Ce point est important en raison de la récente publication dans les célèbres Monthly Notices of the Royal Astronomical Society d’un article étonnant, disponible sur arXiv. Dans celui-ci, un groupe de chercheurs hongrois suggère que l’énergie noire n’existe tout simplement pas !

Toutefois, ils ne remettent nullement en cause l’existence d’une phase d’expansion accélérée depuis quelques milliards d’années de l’univers observable. La cosmologie standard n’en serait donc nullement bouleversée, pas plus que la théorie du Big Bang.

En revanche, s’ils ont raison, cela réduirait à néant l’espoir de découvrir de la nouvelle physique en précisant les caractéristiques des causes de cette accélération (avec, en particulier, la mise en service du LSST et du satellite Euclide). Pour comprendre pourquoi il pourrait en être ainsi, il faut remonter aux hypothèses de base de la cosmologie relativiste, et plus particulièrement à celle de l’homogénéité de l’univers observable à suffisamment grande échelle.

Les équations de la relativité générale sont particulièrement difficiles à résoudre car elles sont non linéaires. L’une des caractéristiques qui font un bon physicien est la capacité de trouver des hypothèses permettant de simplifier les équations avec de judicieuses approximations qui permettent de les résoudre simplement tout en trouvant des solutions qui ne s’écartent pas trop des solutions exactes. On a donc fait l’hypothèse que si l’on considère l’univers à suffisamment grande échelle, sa densité de matière est partout la même. On peut donc poser que le cosmos observable est une sorte de fluide de galaxies, tout comme l’eau nous apparaît un fluide à notre échelle et que nous ne notons pas le vide entre les molécules d’eau ni le fait qu’elles soient un peu plus nombreuses dans certaines régions.

Cette hypothèse semble particulièrement bien justifiée quand on observe l’univers à une échelle de plusieurs centaines de millions d’années-lumière, surtout quand il était jeune, au moment où le rayonnement fossile a été émis. Cependant, presque 10 milliards d’années après le Big Bang, nous observons bien aussi que les galaxies ont fini par se rassembler pour former des filaments avec de grands vides à une échelle inférieure à plusieurs centaines de millions d’années-lumière.

Ne faudrait-il pas considérer des solutions aux équations d’Einstein dans lesquelles la répartition de la matière ne peut pas vraiment être considérée comme homogène bien qu’elle le soit un peu quand même ? La question se pose depuis un certain temps et de célèbres théoriciens, comme Robert Wald et Thomas Buchert, s’affrontent sur l’importance ou non à donner en cosmologie relativiste sur les effets de la prise en compte d’un univers finalement pas vraiment homogène. Le sujet est d’importance car, qui dit un univers non homogène, dit un univers dont la vitesse d’expansion, à un même moment global de son histoire, ne serait pas la même de façon non négligeable selon les densités, et donc les lieux, dans cet univers.

Or, magiquement, quand on fait des moyennes avec ces densités variables dans les équations d’Einstein sans constante cosmologique au départ, on aboutit finalement à l’apparition de cette constante qui ne serait donc qu’un effet d’une physique très ordinaire et bien connue.

C’est justement pour en avoir le cœur net que les astrophysiciens hongrois ont décidé de refaire les simulations numériques de leurs collègues décrivant la formation et l’évolution des grandes structures avec une expansion localement variable en fonction des densités locales de matière. On aboutit donc à un système d’équations dans lequel ces densités rétroagissent sur les vitesses d’expansion qui font elles-mêmes varier ces densités au cours du temps et dans l’espace.

Or, selon ces chercheurs, leurs simulations reproduiraient aussi bien l’évolution des grandes structures de galaxies de l’univers observable que le modèle standard avec son hypothèse d’homogénéité. Reste à savoir quelles vont être les réactions de leurs collègues qui vont peut-être finir par pointer du doigt quelques erreurs dans les hypothèses à la base des méthodes numériques utilisées. Ou peut-être faudra-t-il abandonner l’énergie noire, tout en maintenant l’existence d’une constante cosmologique dont l’étude ne nous donnerait donc pas d’indice sur l’unification des lois de la physique et la naissance du cosmos à moins qu’elle ne soit connectée à la matière noire de façon particulière.

Source : Futura-Sciences

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