Le modèle standard de la cosmologie – notre principale théorie de l’évolution cosmique – suggère que l’énergie noire est constante dans tout l’univers et au fil du temps, ce qui en fait une propriété fondamentale de l’espace. Si elle était constante, cette mystérieuse énergie noire, qui représente jusqu’à 70% de l’univers, repousserait toutes les étoiles et les galaxies. Cependant, l’étude la plus complète de l’histoire cosmique de l’univers suggère que l’énergie noire, également connue sous le nom de force hypothétique d’«antigravité», pourrait évoluer au fil du temps plutôt que de rester constante, laissant présager un avenir moins solitaire pour les habitants de l’univers.
Cela fait plus de vingt ans que l’énergie noire a été découverte. Cela signifie que les scientifiques ont eu plus de vingt ans pour percer les mystères de cette substance invisible qui semble déchirer l’univers. Mais ils n’en savent encore presque rien. En fait, l’énergie noire pourrait bien ne pas être une substance. Il pourrait s’agir d’une force, voire d’une propriété intrinsèque de l’espace lui-même, rapporte Space.com.
Si ce résultat préliminaire est confirmé par de futures observations, les cosmologistes devront peut-être, au minimum, examiner les incertitudes systématiques du modèle Lambda-CDM (LCDM) dominant, un modèle mathématique de l’Univers dans lequel lambda représente l’énergie noire. Ils devront peut-être également commencer à analyser des dizaines d’autres modèles de notre Univers pour trouver la meilleure adéquation. Pour l’instant, les données sont préliminaires ; elles n’atteignent pas le « seuil 5 sigma » qui détermine si un signal peut être considéré comme une découverte officielle. Par conséquent, les interprétations de l’évolution de l’énergie noire pourraient évoluer à mesure que de nouvelles données seront disponibles dans les prochaines années.
«Si cela est vrai, cela bouleverserait complètement la cosmologie», a déclaré Dillon Brout, de l’Université de Boston, qui mesure l’accélération de l’univers à l’aide de supernovae. Une telle découverte constituerait «un changement radical dans notre compréhension de ce que nous comprenons le mieux de l’univers».
Un fragment des données DESI montre des objets célestes depuis la Terre (au centre) jusqu’à des milliards d’années-lumière. Collaboration DESI/DOE/KPNO/NOIRLab/NSF/AURA/C.Lamman
L’instrument spectroscopique d’énergie sombre (DESI), installé sur le télescope de quatre mètres Nicholas W. Mayall à l’observatoire national de Kitt Peak en Arizona, localise un million de galaxies chaque mois. Grâce à ces observations, les cosmologistes peuvent mesurer le taux d’expansion de l’univers au cours des 11 derniers milliards d’années. Ces galaxies lointaines, comparées aux «réverbères de l’univers», aident les cosmologistes à étudier le mystère de l’énergie sombre qui imprègne l’univers.
Le 4 avril 2024, DESI a dévoilé la plus grande carte 3D de l’Univers jamais réalisée. Elle comprend également des mesures de haute précision du taux d’expansion de l’Univers au cours des 11 derniers milliards d’années. Dès sa première année de fonctionnement, DESI a démontré une efficacité deux fois supérieure à celle de son prédécesseur, le Sloan Digital Sky Survey, pour mesurer l’histoire de l’expansion de l’Univers primitif. Il avait fallu plus de dix ans pour créer une carte 3D similaire.
Au-delà des innombrables galaxies regroupées comme des fils tissés, la nouvelle carte 3D DESI révèle un motif subtil dans l’univers primitif, connu sous le nom d’oscillations acoustiques baryoniques (OAB). Ces subtiles rides 3D ont parcouru la matière présente durant les 380 000 premières années de l’histoire de notre univers, se solidifiant au fil du temps pour devenir des vestiges du cosmos primitif. En cartographiant la taille de ces OAB figées, les chercheurs ont pu estimer les distances jusqu’aux galaxies et en déduire le taux d’expansion de l’univers à différents moments.
La lumière des galaxies typiques étant trop faible pour être observée en raison de leur éloignement et de leur émission relativement faible, la collaboration DESI a également étudié plus de 400 000 objets extrêmement brillants appelés quasars. Lors de leur traversée de l’espace interstellaire, la lumière de ces objets est absorbée par des nuages de gaz et de poussière, ce qui aide les cosmologistes à cartographier les régions de matière dense de la même manière que les galaxies.
La conclusion préliminaire selon laquelle l’énergie noire pourrait évoluer au fil du temps a été tirée d’une analyse préliminaire des données du DESI combinées à des données provenant d’autres sources cosmologiques. Les chercheurs ont constaté que le modèle d’évolution de l’énergie noire correspondait mieux aux données que le modèle standard. Il convient de noter qu’aucun ensemble de données ne révèle à lui seul de manière convaincante la nature évolutive de l’énergie noire, mais le signal devient légèrement plus fort lorsque tous les ensembles de données sont combinés.
«Ce n’est pas une préférence suffisamment marquée pour que je puisse affirmer que le modèle Lambda CDM est erroné», a déclaré à Space.com Kyle Dawson, coprésident du DESI à l’Université de l’Utah. «En fait, nous n’avons jamais observé d’écart significatif par rapport à ce modèle auparavant.»
Cependant, a déclaré Dawson, une analyse préliminaire suggère que l’énergie noire passe d’un puissant facteur accélérant notre univers à un rôle quelque peu diminué.
«Si cela est vrai, nous sommes en terrain inconnu», a déclaré Brout. La collaboration DESI a utilisé le deuxième modèle le plus simple de notre univers après Lambda CDM, qui n’a rien de remarquable, si ce n’est sa capacité à aider les cosmologistes à repérer les écarts par rapport au modèle standard. Si de futures observations démontrent que l’énergie noire évolue au fil du temps, des dizaines d’autres modèles deviendront également viables, et les cosmologistes devront les tester chacun individuellement, a ajouté Brout.
Le télescope spatial James Webb (JWST) a récemment apporté la preuve de la rotation de l’Univers. Il a découvert que les deux tiers des galaxies tournent dans le même sens. Cela suggère qu’il n’y a pas de hasard et qu’il existe une direction privilégiée de rotation cosmique.
L’univers semble tourner, et si tel est le cas, cela pourrait avoir de profondes implications pour certaines des plus grandes questions scientifiques, y compris celles énumérées ci-dessus, selon le physicien théoricien polonais Nikodem Poplawski de l’Université de New Haven, connu pour sa théorie selon laquelle les trous noirs servent de portails vers d’autres univers.
«L’énergie noire est l’un des mystères les plus fascinants de l’univers. De nombreux chercheurs ont tenté de l’expliquer en modifiant les équations de la relativité générale ou en proposant de nouveaux champs susceptibles d’accélérer l’expansion de l’univers», a déclaré Poplawski à Space.com. «Il serait surprenant que la simple rotation de l’univers soit la source de l’énergie noire, d’autant plus que cela prédit sa désintégration.»
De plus, Poplawski a noté que d’autres données astronomiques semblent montrer que l’angle entre l’axe de rotation le plus probable des galaxies et l’axe du flux principal des amas de galaxies proches est de 98 degrés, ce qui signifie qu’ils sont presque perpendiculaires l’un à l’autre. Cela est cohérent avec l’hypothèse d’une rotation de l’univers.
Pour comprendre pourquoi un univers en rotation implique l’existence de plusieurs univers, Poplavsky se tourne vers les «cadres de référence». Il s’agit d’ensembles de systèmes de coordonnées qui font partie intégrante de la physique et qui nous permettent de mesurer le mouvement et le repos.
Imaginez deux scientifiques, Terra et Stella. Chacune se trouve dans un référentiel différent, mais Terra est sur Terre et Stella est dans un vaisseau spatial survolant notre planète. Terra voit le référentiel de Stella (le vaisseau spatial) se déplacer par rapport au sien (la Terre), qui est au repos. Stella voit son référentiel au repos, tandis que celui de Terra se déplace à mesure que la Terre s’éloigne.
L’expansion de l’univers due à l’énergie noire, avec des galaxies qui s’agrandissent comme des points à la surface d’un ballon gonflé. Robert Lee
Poplavsky a noté que si l’Univers tourne, alors son cadre de référence tourne également, et cela n’a de sens que s’il tourne par rapport à au moins un autre cadre de référence.
«Si l’univers tourne, il doit tourner par rapport à un référentiel qui correspond à quelque chose de plus grand», a-t-il poursuivi. Par conséquent, l’univers n’est pas unique ; il fait partie d’un multivers.
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Selon Poplavsky, l’explication la plus simple et la plus naturelle de l’origine de la rotation de l’Univers est la cosmologie des trous noirs.
La cosmologie des trous noirs suggère que chaque trou noir crée un nouvel univers fille au-delà de son horizon des événements, une surface unilatérale qui piège la lumière et définit la limite extérieure du trou noir.
La théorie remplace la singularité centrale au cœur du trou noir par une «torsion dans l’espace-temps» qui génère une gravité répulsive, entraînant l’expansion du nouvel univers.
«Comme tous les trous noirs sont formés à partir d’objets en rotation, comme des étoiles ou le centre de galaxies en rotation, ils sont également en rotation», a expliqué Poplawski. «Un univers né dans un trou noir en rotation hérite de l’axe de rotation du trou noir comme axe préférentiel.»
La chronologie de l’univers et de son expansion a commencé dans un trou noir. NASA/WMAP
En d’autres termes, notre Univers peut tourner dans une direction préférée parce que c’est la direction dans laquelle tourne le trou noir dans lequel il est scellé.
«Le trou noir devient un pont Einstein-Rosen, ou trou de ver, reliant l’univers parent à l’univers fille», explique Poplawski. «Les observateurs du nouvel univers verront l’autre côté du trou noir parent comme un trou blanc primordial.»
Au lieu de la découverte d’un trou blanc primordial dans notre Univers, à l’origine de notre trou noir mère et de notre Univers progéniteur, la preuve la plus convaincante de cette cosmologie des trous noirs réside dans la direction préférentielle, ou «asymétrie rotationnelle», de notre Univers. Celle-ci est visible dans l’asymétrie rotationnelle des galaxies.
«Le mouvement des galaxies individuelles dans ce jeune univers dépendra de sa rotation», a déclaré Poplawski. «Les galaxies auront tendance à aligner leurs axes de rotation sur l’axe de rotation privilégié de l’univers, ce qui conduit à l’asymétrie rotationnelle observée.»
Les astronomes commencent déjà à le remarquer.
Bien sûr, cela signifie que chaque trou noir de notre univers est un portail vers un autre jeune cosmos. Ces jeunes univers sont protégés de toute exploration par l’horizon des événements de leurs trous noirs parents, ce qui empêche tout signal provenant de l’intérieur du trou noir.
De même, voyager à travers ce portail cosmique serait impossible pour un «multinaute» en herbe en raison de l’énorme gravité entourant le trou noir, ce qui provoquerait des forces de marée capables de «spaghettifier» un explorateur aussi courageux.
Même si un tel multinaute survivait au voyage, tout comme rien ne peut quitter un trou noir, rien ne peut entrer dans un trou blanc, ce qui signifie qu’il n’aurait aucun moyen de revenir, aucun moyen de faire un rapport!
Mais le pire est qu’il n’y a aucune garantie que les lois de la physique dans l’univers fille seront les mêmes que celles de l’univers parent, ce qui signifie un destin imprévisible et une mort potentiellement douloureuse pour tout multinaute courageux capable de naviguer dans le trou noir.
Quoi qu’il en soit, avant de nous précipiter à la découverte d’autres univers, nous devons explorer les mystères du nôtre. Et tout d’abord, la force mystérieuse de l’énergie noire.
L’énergie noire est un terme conventionnel désignant toute force provoquant une expansion accélérée de l’Univers. Actuellement, l’énergie noire domine l’Univers, représentant 68% de la quantité totale de matière-énergie cosmique. Cependant, cela n’a pas toujours été le cas.
Aux premiers temps de l’univers, celui-ci était dominé par l’énergie du Big Bang, ce qui a conduit à son inflation. Lorsque l’univers est entré dans l’ère de la matière, mue par la gravité, cette inflation a ralenti jusqu’à s’arrêter presque complètement. Cela aurait dû marquer la fin du cosmos, mais environ 9 à 10 milliards d’années après le Big Bang, l’univers a recommencé à s’étendre, et cette expansion s’est accélérée, conduisant à l’ère de l’énergie noire.
Pour comprendre pourquoi ce mystère est si dérangeant, imaginez qu’un enfant pousse doucement une balançoire, qu’il regarde son balancement s’arrêter, puis, sans raison apparente, qu’il recommence à se balancer, et que le balancement devient de plus en plus rapide.
Comme si l’énergie noire n’était pas déjà assez étrange, des résultats récents du Dark Energy Spectroscopic Instrument (DESI) ont montré que cette force mystérieuse s’affaiblit. Cela semble contredire le modèle standard de la cosmologie, ou modèle de matière noire froide lambda (LCDM), qui suppose que l’énergie noire (représentée par la constante cosmologique, ou lambda) est constante.
L’illustration montre de la matière s’écoulant dans un trou noir, traversant le pont d’Einstein-Rosen et émergeant d’un trou blanc. Mais émerge-t-elle dans un nouvel univers naissant ? Robert Lee
Cependant, Poplawski suggère qu’un univers en rotation pourrait à la fois expliquer l’énergie noire et son affaiblissement.
«L’énergie noire résulte de la force centrifuge dans un univers en rotation à grande échelle», a expliqué le physicien théoricien. «Si l’univers était plat, la force centrifuge n’agirait que dans des directions perpendiculaires à l’axe choisi.»
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Cependant, dans la théorie cosmologique du trou noir de Poplavsky, puisque l’univers créé par le trou noir est fermé, se déplacer dans n’importe quelle direction entraînera finalement un retour dans la direction opposée.
Cela signifierait que la force centrifuge apparaissant dans l’univers en rotation devient une force agissant dans toutes les directions à partir du trou blanc originel, l’univers parent.
«L’amplitude de cette force est proportionnelle au carré de la vitesse angulaire de l’univers et de la distance au trou blanc», explique Poplavsky. «Cette relation prend la forme d’une force exercée sur la galaxie par l’énergie noire, proportionnelle à la constante cosmologique et à la distance au trou blanc. Par conséquent, la constante cosmologique est proportionnelle au carré de la vitesse angulaire de l’univers.»
Illustration de notre univers en rotation, partie intégrante d’un multivers plus vaste. Robert Lee
Mais comment cela peut-il expliquer les observations du DESI, qui semblent indiquer un affaiblissement de l’énergie noire?
«Le moment angulaire de l’univers étant conservé, il diminue à mesure que l’univers s’étend», a expliqué Poplawski. «Par conséquent, la constante cosmologique, qui est l’explication la plus simple de l’énergie noire, devrait également diminuer avec le temps. Ce résultat est cohérent avec les récentes observations du DESI.»
Pour confirmer le concept de Poplavsky, des données supplémentaires sur le flux des amas de galaxies et l’asymétrie des axes de rotation des galaxies sont nécessaires. Cela contribuera à confirmer la rotation de notre Univers.
De plus, des données supplémentaires sur la dépendance de l’énergie noire aux distances cosmiques et au passage du temps dans notre cosmos vieux de 13,7 milliards d’années pourraient aider à confirmer si l’affaiblissement de l’énergie noire est lié à la diminution de la vitesse angulaire de l’Univers.
«La prochaine étape dans le développement de ces idées consiste à déterminer une équation décrivant la diminution de la constante cosmologique générée par la vitesse angulaire de l’Univers au fil du temps et à comparer cette prédiction théorique avec la diminution observée de l’énergie noire», a conclu Poplavsky. «Cette recherche pourrait impliquer la recherche d’une mesure décrivant un Univers en expansion et en rotation.»
Une nouvelle théorie affirme que la matière noire a réellement façonné l’univers. La matière noire est censée interagir «faiblement» avec l’univers visible, mais a-t-elle toujours été le cas? Des physiciens ont modélisé l’inflaton – un espace théorique utilisé par les scientifiques pour étudier la période suivant immédiatement le Big Bang – afin d’étudier ces interactions. Il est possible que la matière noire ait interagi avec le reste de l’univers durant cette période de manière plus uniforme que la matière visible.
Dans une étude évaluée par des pairs, une équipe de scientifiques de l’Université Northeastern a affirmé que la matière noire pourrait avoir joué un rôle bien plus important que prévu dans la naissance de notre univers visible. C’est une affirmation ambitieuse : les physiciens ont largement considéré la matière noire comme une composante inexpliquée et relativement stable de l’équation, plutôt que comme un participant actif au façonnement de ce qu’est devenu notre univers visible. Si les scientifiques s’accordent généralement à dire que la matière noire n’est que très faiblement couplée à l’univers visible, ces chercheurs se sont interrogés: existe-t-il un endroit où les deux sont sur un pied d’égalité?
Il est intuitivement logique que la matière noire (qui constitue 95% de l’univers moderne) ait joué un rôle dans le Big Bang qui a donné naissance à notre cosmos, mais il est étonnamment difficile de l’étayer par des preuves. Certains cours de mathématiques et de programmation enseignent les «fonctions de la boîte noire»: on saisit une valeur et on observe le résultat, mais on ne voit jamais vraiment le processus intermédiaire qui mène au résultat. Le Big Bang pourrait bien être la fonction de la boîte noire par excellence, et les scientifiques en sont réduits à tenter de la rétroconcevoir en utilisant des hypothèses de plus en plus précises.
Le Big Bang. Flavio Coelho
Dans leurs travaux, le doctorant Jinzheng Li et le professeur Pran Nath ont dû simuler le Big Bang et diverses interactions pour analyser le rôle de la matière noire. Ils ont testé l’idée que les secteurs sombre et visible sont plus étroitement couplés qu’on ne le pensait; il pourrait exister un couplage plus fort que prévu entre la matière noire et la matière normale. En physique, le couplage se produit lorsque deux particules, quel que soit leur type, sont liées par l’une des quatre forces fondamentales: la gravité, l’électromagnétisme, la force faible ou la force forte. L’ajout de matière noire et d’énergie noire à ce mélange produit également des interactions «faibles», bien plus faibles que… faibles.
Travailler avec les interactions faibles permet aux scientifiques d’envisager des modèles autres que le Modèle standard pour tenter d’expliquer l’Univers. C’est comme remplacer 0,0001 pour éviter de diviser par zéro. Et si toute la matière noire était faiblement couplée à l’Univers visible, cela renforcerait l’idée que l’Univers visible a une influence considérable sur la physique. Nous pourrions continuer à utiliser le Modèle standard sans observer d’écarts particulièrement inquiétants dans l’harmonie mathématique une fois l’influence de la matière noire effectivement réduite à zéro.
Et si cela n’avait pas toujours été le cas? Et si, au moment peut-être le plus crucial, la matière noire et la matière visible étaient liées de manière plus «démocratique» – suffisamment étroitement pour que chacune des deux influences soit plus équilibrée sur ce qui se passe dans l’univers?
Pour comprendre cela, l’équipe a exploré un espace théorique appelé «inflaton», que les scientifiques utilisent pour comprendre et modéliser l’expansion incroyablement rapide (ou «inflation») de l’univers ancien. Si l’on cesse de supposer que la matière noire n’était que faiblement couplée dans l’inflaton, un tout nouveau paramètre entre en jeu. «Le secteur caché et les secteurs visibles pourraient se coupler démocratiquement à l’inflaton», écrit l’équipe, «auquel cas le secteur caché et les secteurs visibles seraient en équilibre thermique à la fin du réchauffement», ou à la fin de l’inflaton.
Bien que cette idée puisse entrer en conflit avec le Modèle standard, les chercheurs expliquent que c’est précisément la raison pour laquelle elle devrait intéresser les scientifiques. «L’analyse suggère que l’inclusion de secteurs cachés qui apparaissent dans divers modèles de physique des particules au-delà du Modèle standard, et donc leur inclusion, aura des implications pour la description précise des phénomènes physiques», concluent-ils.
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