17/10/2011 - L'énergie noire, le plus grand mystère de la science

Menéame

L’énergie noire est une force beaucoup plus puissante que la gravité. Ce 4 octobre, trois scientifiques ont remporté le prix Nobel de physique en trouvant la preuve définitive que l’expansion de l’univers s’accélère.

Sa découverte ne correspond à aucune théorie existante, donc elle a eu des implications hallucinantes pour notre compréhension du monde physique. Dans le même temps, il est relativement facile d’expliquer aux non-spécialistes. Alors attachez votre ceinture de sécurité pour un voyage rapide à cette frontière de la connaissance: Quelle était la vraie découverte, pourquoi est-ce si important, et quelle est la signification pour notre monde ?

Il revient dans les années 90, lorsque deux équipes indépendantes de recherche ont été créées pour "semer" l’univers. L’un d’eux était dirigé par Saul Perlmutter, un jeune physicien du Lawrence Berkley et l’autre dirigé par Bob Kirshner, un professeur d’astronomie de Harvard, avec l’ancien étudiant de troisième cycle, Brian Schmidt, maintenant à l’Université nationale d’Australie, et l’étudiant de troisième cycle Adam Riess, qui travaille comme astronome du Space Telescope Science Institute et de l’Université Johns Hopkins.

Ces astrophysiques savaient que l’univers était un vaste espace, presque vide, rempli de galaxies d’étoiles dans une mince mer d’atomes. Grâce au travail accompli 70 ans plus tôt par Edwin Hubble (pour lequel la NASA a nommé son télescope spatial), ils savaient aussi que l’univers s’étendait pendant des milliards d’années. Comme tous les astronomes, ils espéraient que l’expansion serait plus lente, en raison de la force de la gravité entre les galaxies et d’autres matières.

C’est très simple: plus il y a de choses dans l’univers, plus le frein gravitationnel de l’expansion est grand. Ainsi, les expériences gagnantes du prix Nobel ont été conçues pour mesurer le niveau de ralentissement de l’expansion, et donc la quantité totale de matériel dans l’univers.

Qu’est-ce qui pourrait mal se passer ? Après tout, la gravité était la seule force connue qui pourrait jouer un rôle. Les deux équipes ont mesuré les distances vers les supernovas dans les galaxies lointaines, et espéraient qu’elles pourraient être plus proches de nous, comme s’il n’y avait pas de gravité du tout.

Imaginez la surprise quand les données indiquaient que l’expansion s’accélère. Les supernovas apparaissaient plus éloignées (plus faibles) que si la vitesse de l’expansion était inaltérable.

Quoi ? Le niveau d’accélération de l’expansion a montré que la gravité, une force que nous connaissions et adorons depuis que la première pomme est tombée d’un arbre, est quelque peu insignifiante par rapport à un nouveau champ d’énergie, totalement inconnu, qui oblige les galaxies à se séparer.

Cette nouvelle chose, dont nous ne savons rien et qui semble exercer une certaine force, nous l’appelons l’énergie noire.

En 2003, le satellite WMAP (Wilkinson Microwave Anistropy Probe) de cosmologie de la NASA a montré de façon convaincante que l’énergie noire est le composant dominant de l’univers.

Ce matériel n’était prévu par aucune théorie physique, et était complètement inconnu (bien qu’il y ait plus de cette énergie que de toute autre chose dans l’univers) jusqu'à ce que les équipes d’astronomes et de physiciens qui ont remporté le prix Nobel ont réalisé leurs mesures.

Plus que les atomes dont nous sommes composés, toi, moi, notre Terre, plus que l’hydrogène et l’hélium qui imprègnent l’univers, plus que les particules inconnues de matière obscure qui provoquent l’attraction de la gravité et qui, en premier lieu, permettent la formation des galaxies.

Quoi qu’il en soit, il nous apprend quelque chose de tout à fait nouveau sur la façon dont la matière, l’espace et le temps se comportent. Une théorie de physique radicalement nouvelle est nécessaire.

Le fait est que l’énergie noire est le plus grand mystère de la science. C’est le moteur d’un grand nombre de recherches au cours de la dernière décennie, et il a été le facteur clé du rapport Nouveaux mondes, nouveaux horizons de l’année dernière des Académies nationales des sciences, qui ont donné la priorité aux futurs projets d’astronomie et d’astrophysique.

Dans la partie la plus élevée de la liste, il s’agissait de mieux mesurer les propriétés de l’énergie noire, en utilisant le télescope spatial James Webb, qui est maintenant en phase de finalisation, ainsi qu’un télescope optique infrarouge qui sera construit au cours de la prochaine décennie.

Les deux équipes ont mesuré le niveau d’expansion par une supernova, qui sont des explosions extraordinaires à la fin de la vie d’une étoile. Les astronomes savent qu’un certain type de supernova émet toujours la même quantité de lumière, donc c’est une bougie standard qui peut être utilisée pour indiquer la distance.

Une supernova plus faible pourrait être plus loin, et une plus brillante pourrait être plus proche. Pour pouvoir mesurer une supernova, les équipes ont utilisé des télescopes de par le monde et dans l’espace, la plupart de ceux de la National Science Foundation et de la NASA.

Le spectre d’une supernova (comment la lumière est distribuée le long du spectre optique de couleur du bleu, vert, jaune au rouge) révèle la vitesse avec laquelle elle s’éloigne de nous en raison de l’expansion de l’univers. Vous avez probablement remarqué que le ton d’une sirène change au moment où elle s’approche ou s’éloigne de vous, et ce changement est plus grand si le véhicule se déplace plus vite. La lumière qui émet une supernova montre le même type de fréquence de changement, donc la vitesse peut être mesurée avec beaucoup de précision.

Il y avait un autre ingrédient essentiel pour l’expérience: la capacité à regarder en arrière dans le temps. Il faut beaucoup de temps à la lumière pour voyager vers nous depuis ces supernovas, qui se produisent de façon inhabituelle dans des galaxies lointaines.

La lumière d’une supernova proche pourrait prendre des centaines de milliers d’années pour nous atteindre, tandis que la lumière de celles qui sont éloignées et qui sont celles qui ont observé les équipes de Perimutter et Schmidt-Ries-Kishner, voyage pendant des milliards d’années. Cela signifie que l’observation des supernovas ou des galaxies à différentes distances peut être tracée l’histoire de l’expansion de l’univers, c’est-à-dire l’indice dans lequel elles s’étendent à différents moments dans le passé. L’objectif des expériences était de mesurer le changement de la vitesse d’expansion: le ralentissement.

Cependant, au lieu de cela, les équipes ont constaté que l’expansion s’accélérait.

Les nouvelles données sont essentielles à la nouvelle image étrange. Adam Riess, qui utilise le télescope spatial Hubble pour mesurer les supernoves extrêmement éloignées, a montré qu’au début de l’univers, la gravité gagnait des pas dans l’énergie noire.

Dans l’expansion initiale du Big Bang, l’espace était réduit. Puis, alors que les galaxies s’éloignaient, la force d’attraction de la gravité entre elles qui affaiblissait l’énergie obscure s’est emparée, ce qui semblait être une propriété constante dans l’espace lui-même.

Dans l’univers de nos jours, 13.7 milliards d’années après le Big Bang, la gravité est beaucoup plus faible que l’énergie sombre. Ainsi, la découverte de Riess n’a laissé aucun doute: les explications alternatives pour la découverte originale n’auraient pas montré cette évolution d’un espace où il dominait la gravité à un endroit où il digère l’énergie sombre.

Les astrophysiques sont sur la piste de ce phénomène. Après le discours de Leigh Page, de Yale, sur l’énergie sombre de Saul Permutter, l’un des vainqueurs du Nobel, un professeur de physique m’a demandé: "Cela ne te maintient pas éveillée pendant la nuit, te demandant ce que cela peut être ?" Il nous garde éveillés beaucoup d’entre nous.

Que signifie cette découverte pour le monde ?

L’énergie noire n’a pas d’impact direct sur nos vies, au moins pour l’instant. Notre galaxie compte des milliards d’années avant que l’énergie sombre ne soit assez forte pour la détruire. Les événements se déplacent plus lentement au temps de l’univers.

Mais si l’histoire sert de guide, la compréhension de la physique des particules, de l’espace et du temps s’est révélée inestimable encore et encore. Une grande partie de l’innovation technologique qui mène à notre économie aujourd'hui provient des découvertes de la physique il y a plusieurs décennies, selon le rapport Gathering Storm de 2006, de l’Académie nationale des sciences.

Le développement des théories de mécanique quantique sur la matière dans les années 20 a conduit à l’électronique des ordinateurs actuels, aux appareils électroniques industriels et domestiques, de votre iPod à votre grille-pain.

Les diagnostics d’images utilisés pour détecter le cancer et d’autres souffrances ont leurs racines dans la dispersion de la lumière et des particules par la matière, comme l’ont étudié les physiciens en utilisant des accélérateurs de particules. Les astronomes ont dirigé le développement d’appareils d’imagerie électronique qui sont maintenant largement utilisés dans les appareils photo numériques. Les scanners à rayons X des aéroports ont été construits par une compagnie dirigée par des astronomes intéressés à détecter les rayons X des étoiles et des galaxies. Et la liste continue.

Quand Brian Schmidt est devenu un expert en supernovas, il a pensé à la façon dont les étoiles explosaient, pas au prix Nobel. Quand Adam Riess a commencé ses études de troisième cycle, il a pensé à l’évolution du cosmos jusqu'à nos jours. Quand Saul Permutter a convaincu son laboratoire de réaliser son expérience de supernovas, il voulait peser l’univers. Et quand Bob Kirshner attire des centaines d’étudiants à ses cours d’astronomie à Harvard, il leur enseigne les objets éloignés et les événements qui semblent incroyablement éloignés de notre vie quotidienne.

Mais leur passion pour la science les a conduits à une découverte digne d’un prix Nobel. Cela nous rappelle que les États-Unis sont toujours l’un des leaders dans la recherche de pointe et aussi dans la formation des futurs scientifiques.

Cette découverte défie nos meilleurs théoriciens et attire des jeunes intelligents dans la science. Et un jour lointain dans l’avenir, comprendre comment l’énergie sombre peut être une propriété de l’espace vide tout au long de l’univers pourrait avoir un impact profond sur notre vie ici sur Terre.

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