Au cours des dernières décennies, les scientifiques ont découvert qu'il y a beaucoup plus dans l'univers que ce qui paraît à l'œil: le cosmos semble être rempli non seulement d'un, mais de deux constituants invisibles - la matière noire et l'énergie noire - dont l'existence a été proposée basé uniquement sur leurs effets gravitationnels sur la matière et l'énergie ordinaires.
Maintenant, le physicien théoricien Robert J. Scherrer a mis au point un modèle qui pourrait réduire le mystère de moitié en expliquant la matière noire et l'énergie noire comme deux aspects d'une seule force inconnue. Son modèle est décrit dans un article intitulé «Purely Kinetic k Essence as Unified Dark Matter» publié en ligne par Physical Review Letters le 30 juin et disponible en ligne à http://arxiv.org/abs/astro-ph/0402316.
"Une façon de penser à cela est que l'univers est rempli d'un fluide invisible qui exerce une pression sur la matière ordinaire et modifie la façon dont l'univers se développe", explique Scherrer, professeur de physique à l'Université Vanderbilt.
Selon Scherrer, son modèle est extrêmement simple et évite les problèmes majeurs qui ont caractérisé les efforts antérieurs pour unifier la matière noire et l'énergie noire.
Dans les années 1970, les astrophysiciens ont postulé l'existence de particules invisibles appelées matière noire afin d'expliquer le mouvement des galaxies. Sur la base de ces observations, ils estiment qu'il doit y avoir environ 10 fois plus de matière noire dans l'univers que de matière ordinaire. Une explication possible de la matière noire est qu’elle est constituée d’un nouveau type de particules (surnommées particules massives à interaction faible ou WIMP) qui n’émettent pas de lumière et interagissent à peine avec la matière ordinaire. Un certain nombre d'expériences cherchent des preuves de ces particules.
Comme si cela ne suffisait pas, dans les années 1990, l'énergie sombre est venue, ce qui produit une force répulsive qui semble déchirer l'univers. Les scientifiques ont invoqué l'énergie noire pour expliquer la découverte surprise que la vitesse à laquelle l'univers se dilate ne ralentit pas, comme le pensaient la plupart des cosmologistes, mais s'accélère à la place. Selon les dernières estimations, l'énergie noire représente 75% de l'univers et la matière noire représente 23% supplémentaires, laissant la matière et l'énergie ordinaires avec un rôle nettement minoritaire de seulement 2%.
L’idée unificatrice de Scherrer est une forme exotique d’énergie aux propriétés bien définies mais compliquées, appelée champ scalaire. Dans ce contexte, un champ est une quantité physique possédant de l'énergie et de la pression qui se propage dans l'espace. Les cosmologistes ont d'abord invoqué des champs scalaires pour expliquer l'inflation cosmique, une période peu de temps après le Big Bang, où l'univers semble avoir subi un épisode d'hyper-expansion, gonflant des milliards et des milliards de fois en moins d'une seconde.
Plus précisément, Scherrer utilise un champ scalaire de deuxième génération, connu sous le nom d'essence k, dans son modèle. Les champs K-essence ont été avancés par Paul Steinhardt à Princeton University et d'autres pour expliquer l'énergie sombre, mais Scherrer est le premier à souligner qu'un type simple de champ k-essence peut également produire les effets attribués à la matière noire.
Les scientifiques font la différence entre la matière noire et l'énergie noire car ils semblent se comporter différemment. La matière noire semble avoir une masse et former des touffes géantes. En fait, les cosmologistes calculent que l'attraction gravitationnelle de ces amas a joué un rôle clé dans la formation de galaxies par la matière ordinaire. L'énergie sombre, en revanche, semble être sans masse et se propage uniformément dans l'espace où elle agit comme une sorte d'anti-gravité, une force répulsive qui pousse l'univers à part.
Les champs K-essence peuvent changer leur comportement au fil du temps. En enquêtant sur un type très simple de champ k-essence dans lequel l'énergie potentielle est une constante, Scherrer a découvert que, à mesure que le champ évolue, il passe par une phase où il peut s'agglutiner et imiter l'effet des particules invisibles suivi d'une phase où il se propage uniformément dans l'espace et prend les caractéristiques de l'énergie sombre.
«Le modèle évolue naturellement vers un état où il ressemble à de la matière noire pendant un certain temps, puis à de l'énergie noire», explique Scherrer. "Quand j'ai réalisé cela, je me suis dit:" C'est convaincant, voyons ce que nous pouvons en faire. ""
Lorsqu'il a examiné le modèle plus en détail, Scherrer a constaté qu'il évitait bon nombre des problèmes qui ont tourmenté les théories précédentes qui tentent d'unifier la matière noire et l'énergie sombre.
Le premier modèle pour l'énergie sombre a été créé en modifiant la théorie générale de la relativité pour inclure un terme appelé constante cosmologique. C'était un terme qu'Einstein a inclus à l'origine pour équilibrer la force de gravité afin de former un univers statique. Mais il a joyeusement laissé tomber la constante lorsque les observations astronomiques de la journée ont constaté qu'elle n'était pas nécessaire. Les modèles récents réintroduisant la constante cosmologique reproduisent bien les effets de l'énergie sombre mais n'expliquent pas la matière noire.
Une tentative d'unification de la matière noire et de l'énergie noire, appelée modèle de gaz de Chaplygin, est basée sur les travaux d'un physicien russe dans les années 1930. Il produit un stade initial semblable à de la matière noire suivi d'une évolution semblable à de l'énergie sombre, mais il a du mal à expliquer le processus de formation des galaxies.
La formulation de Scherrer présente quelques similitudes avec une théorie unifiée proposée plus tôt cette année par Nima Arkani-Hamed à l'Université de Harvard et ses collègues, qui tentent d'expliquer la matière noire et l'énergie noire comme résultant du comportement d'un fluide invisible et omniprésent qu'ils appellent « condensat fantôme. "
Bien que le modèle de Scherrer présente un certain nombre de caractéristiques positives, il présente également certains inconvénients. D'une part, cela nécessite un «réglage fin» extrême pour fonctionner. Le physicien met également en garde contre le fait que des études supplémentaires seront nécessaires pour déterminer si le comportement du modèle est cohérent avec d'autres observations. De plus, cela ne peut pas répondre au problème de la coïncidence: pourquoi nous vivons au seul moment de l'histoire de l'univers où les densités calculées pour la matière noire et l'énergie noire sont comparables. Les scientifiques se méfient de cela car cela suggère qu'il y a quelque chose de spécial dans l'ère actuelle.
Source d'origine: communiqué de presse de l'Université Vanderbilt
