La sonde SuperNova / Acceleration, SNAP. Crédit d'image: Berkeley Lab Cliquez pour agrandir
Quelle est la mystérieuse énergie noire qui accélère l'expansion de l'univers? Est-ce une forme de la célèbre constante cosmologique d'Einstein, ou est-ce une force répulsive exotique, surnommée «quintessence», qui pourrait représenter jusqu'à trois quarts du cosmos? Les scientifiques du Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) et du Dartmouth College croient qu'il existe un moyen de le découvrir.
Dans un article à paraître dans Physical Review Letters, les physiciens Eric Linder de Berkeley Lab et Robert Caldwell de Dartmouth montrent que les modèles physiques de l'énergie sombre peuvent être séparés en scénarios distincts, qui pourraient être utilisés pour exclure la constante cosmologique d'Einstein et expliquer la nature d'énergie sombre. De plus, les scientifiques devraient être en mesure de déterminer lequel de ces scénarios est correct avec les expériences prévues pour la Joint Dark Energy Mission (JDEM) qui a été proposée par la NASA et le département américain de l'Énergie.
«Les scientifiques ont débattu de la question« comment devons-nous précisément mesurer l'énergie noire pour savoir de quoi il s'agit? », Explique Linder. «Ce que nous avons fait dans notre article, c'est suggérer des limites de précision pour les mesures. Heureusement, ces limites devraient être à la portée des expériences JDEM. »
Linder et Caldwell sont tous deux membres de l'équipe de définition scientifique du DOE-NASA pour JDEM, qui est chargée de définir les exigences scientifiques de la mission. Linder est le chef du groupe de théorie pour SNAP? la sonde SuperNova / Acceleration, l'un des véhicules proposés pour la réalisation de la mission JDEM. Caldwell, professeur de physique et d'astronomie à Dartmouth, est l'un des auteurs du concept de quintessence.
Dans leur article dans Physical Review Letters Linder et Caldwell décrivent deux scénarios, l'un qu'ils appellent «dégel» et l'autre qu'ils appellent «gel», qui pointent vers des destins nettement différents pour notre univers en expansion permanente. Dans le scénario de décongélation, l'accélération de l'expansion diminuera progressivement et finira par s'arrêter, comme une voiture lorsque le conducteur relâche la pédale d'accélérateur. L'expansion peut se poursuivre plus lentement, ou l'univers peut même se replier. Dans le scénario de gel, l'accélération se poursuit indéfiniment, comme une voiture avec la pédale de gaz poussée au sol. L'univers deviendrait de plus en plus diffus, jusqu'à ce que notre galaxie finisse par se retrouver seule dans l'espace.
L'un ou l'autre de ces deux scénarios exclut la constante cosmologique d'Einstein. Dans leur article, Linder et Caldwell montrent, pour la première fois, comment séparer proprement l’idée d’Einstein des autres possibilités. Dans n'importe quel scénario, cependant, l'énergie sombre est une force avec laquelle il faut compter.
Dit Linder, «Parce que l'énergie sombre représente environ 70% du contenu de l'univers, elle domine le contenu de la matière. Cela signifie que l'énergie sombre gouvernera l'expansion et, en fin de compte, déterminera le sort de l'univers. »
En 1998, deux groupes de recherche ont secoué le domaine de la cosmologie avec leurs annonces indépendantes selon lesquelles l'expansion de l'univers s'accélère. En mesurant le décalage vers le rouge de la lumière des supernovae de type Ia, des étoiles de l'espace lointain qui explosent avec une énergie caractéristique, les équipes du Supernova Cosmology Project dont le siège est à Berkeley Lab et de l'équipe de recherche High-Z Supernova centrée en Australie ont déterminé que l'expansion de l'univers accélère et non décélère. La force inconnue derrière cette expansion accélérée a été nommée «énergie noire».
Avant la découverte de l'énergie sombre, la sagesse scientifique conventionnelle soutenait que le Big Bang avait entraîné une expansion de l'univers qui serait progressivement ralentie par la gravité. Si le contenu de la matière dans l'univers fournissait suffisamment de gravité, un jour l'expansion s'arrêterait complètement et l'univers retomberait sur lui-même dans un Big Crunch. Si la gravité de la matière était insuffisante pour arrêter complètement l'expansion, l'univers continuerait à flotter pour toujours.
"D'après les annonces de 1998 et les mesures ultérieures, nous savons maintenant que l'expansion accélérée de l'univers n'a commencé qu'au cours des 10 derniers milliards d'années", explique Caldwell.
Les cosmologistes se démènent maintenant pour déterminer ce qu'est exactement l'énergie sombre. En 1917, Einstein a amendé sa théorie générale de la relativité avec une constante cosmologique qui, si la valeur était correcte, permettrait à l'univers d'exister dans un état statique parfaitement équilibré. Bien que le physicien le plus célèbre de l’histoire qualifiera plus tard l’ajout de cette constante de «plus grande erreur», la découverte de l’énergie noire a ravivé l’idée.
«La constante cosmologique était une énergie de vide (l'énergie de l'espace vide) qui empêchait la gravité d'attirer l'univers sur lui-même», explique Linder. «Un problème avec la constante cosmologique est qu'elle est constante, avec la même densité d'énergie, la même pression et la même équation d'état dans le temps. L'énergie noire, cependant, devait être négligeable dans les premiers stades de l'univers; sinon les galaxies et toutes leurs étoiles ne se seraient jamais formées. »
Pour que la constante cosmologique d'Einstein aboutisse à l'univers que nous voyons aujourd'hui, l'échelle d'énergie devrait être de plusieurs ordres de grandeur plus petite que toute autre chose dans l'univers. Bien que cela soit possible, dit Linder, cela ne semble pas probable. Entrez dans le concept de «quintessence», nommé d'après le cinquième élément des anciens Grecs, en plus de l'air, de la terre, du feu et de l'eau; ils pensaient que c'était la force qui maintenait la lune et les étoiles en place.
«Quintessence est une forme d'énergie dynamique, évolutive et spatialement dépendante avec une pression négative suffisante pour entraîner l'expansion accélérée», explique Caldwell. «Alors que la constante cosmologique est une forme d'énergie très spécifique? l'énergie du vide? la quintessence englobe un large éventail de possibilités. »
Pour limiter les possibilités de quintessence et fournir des cibles fermes pour des tests de base qui confirmeraient également sa candidature comme source d'énergie sombre, Linder et Caldwell ont utilisé un champ scalaire comme modèle. Un champ scalaire possède une mesure de valeur mais pas de direction pour tous les points de l'espace. Avec cette approche, les auteurs ont pu montrer la quintessence comme un champ scalaire relaxant son énergie potentielle jusqu'à une valeur minimale. Pensez à un ensemble de ressorts sous tension et exerçant une pression négative qui contrecarre la pression positive de la gravité.
"Un champ scalaire de quintessence est comme un champ de ressorts couvrant chaque point de l'espace, avec chaque ressort étiré sur une longueur différente", a déclaré Linder. "Pour la constante cosmologique d'Einstein, chaque ressort serait de la même longueur et immobile."
Dans leur scénario de décongélation, l'énergie potentielle du champ de quintessence était «gelée» en place jusqu'à ce que la densité de matière décroissante d'un univers en expansion la libère progressivement. Dans le scénario de gel, le champ de la quintessence roule vers son potentiel minimum depuis que l'univers a subi l'inflation, mais à mesure qu'il domine l'univers, il devient progressivement une valeur constante.
La proposition SNAP est en recherche et développement par des physiciens, des astronomes et des ingénieurs au Berkeley Lab, en collaboration avec des collègues de l'Université de Californie à Berkeley et de nombreuses autres institutions; il nécessite un télescope réfléchissant à trois miroirs de 2 mètres en orbite profonde qui serait utilisé pour trouver et mesurer des milliers de supernovae de type Ia chaque année. Ces mesures devraient fournir suffisamment d'informations pour pointer clairement vers le scénario de décongélation ou de gel? ou à quelque chose d'autre entièrement nouveau et inconnu.
Dit Linder, «si les résultats de mesures telles que celles qui pourraient être faites avec SNAP se situent en dehors des scénarios de décongélation ou de gel, alors nous devrons peut-être regarder au-delà de la quintessence, peut-être vers une physique encore plus exotique, telle qu'une modification de la théorie générale d'Einstein de la relativité pour expliquer l'énergie sombre. "
Source d'origine: communiqué de presse de Berkeley Lab
