Expansion de l’univers, énergie noire et quintessence

 Continuons ici notre petit tour de la galerie des bizarreries qui font trembler les modèles standards de la physique et de la cosmologie, en abordant la question de l’expansion de l’univers. Les astrophysiciens se sont rendu compte, grâce à des observations de supernovæ menées dans les années 1990, que l’expansion de l’univers s’accélère depuis quelques milliards d’années. Ce phénomène est en principe prévu par la relativité générale d ‘Einstein sous la forme de la constante cosmologique ou “énergie sombre“, mais la valeur observée de cette accélération est supérieure de 120 ordres de grandeur à la valeur théorique, soit 1 suivi de 120 zéros, ce qui commence à faire beaucoup pour une science supposée exacte.

Comment expliquer une telle différence? En revoyant fondamentalement la nature de la constante cosmologique, ou énergie sombre, par le prisme de la “coïncidence cosmique”. En effet, il se trouve qu’aujourd’hui la densité de cette énergie sombre a la même valeur que la densité critique de l’univers. Cette densité a bien sûr évolué au cours du temps, à l’époque de la formation du système solaire elle était plus importante, et dans 4 milliards d’années elle sera, normalement, encore plus faible qu’aujourd’hui – alors même que la constante cosmologique, toujours dans le cadre de la physique actuelle, ne change pas par définition.  Il est donc intéressant sinon surprenant de constater la grande similitude de ces deux valeurs à notre époque, de l’ordre de 10 exp -29 g/cm3.

Mais si l’on part de l’idée que cette correspondance de valeurs n’est pas accidentelle mais reflète une réalité intrinsèque de l’univers, il faut alors accepter la notion de “constante cosmologique variable”, plus connue sous le nom d’hypothèse de la quintessence. L’hypothèse de quintessence propose donc de considérer des variations de ce qui ressemble à l’énergie du vide et qui produit les phénomènes d’énergie sombre comme l’accélération. Mais qui dit énergie sombre dit, par définition, impossibilité d’interaction directe entre cette énergie (qui n’existe pas du point de vue de la matière “normale”) et la matière, donc elle ne peut exercer son influence que par le biais de modifications des constantes fondamentales (gravitation, électromagnétisme et interaction nucléaires). Mais, problème: ce type d’interaction violerait le principe d’équivalence sur lequel la relativité générale est construite.

Les paragraphes entre [] sont tiré du site Astronomie et Mécanique Céleste

[  Ce principe d'équivalence exprime que toutes les formes d'énergie, électromagnétique, nucléaire et même gravitationnelle produisent toutes de la même manière de la gravitation. Autrement dit, elles "tombent" toutes de la même manière. Par exemple, ce principe établit que du plomb, de l'or, de l'uranium, des êtres vivants (ou l'électromagnétisme et les forces nucléaires assurent la cohésion) et des corps gravitationnellement liés comme les planètes ou les systèmes planétaires tombent identiquement de la même manière dans un champ de gravitation extérieur. Cette généralisation à toute la physique, due à Einstein, de l'expérience apocryphe de Galilée où celui-ci aurait laissé tomber du haut de la tour de Pise deux objets en plomb et en liège et serait arrivé à la constatation qu'ils tombent de la même manière.

Si à présent, en vertu de l'interaction quintessence-matière, l'intensité de la gravitation varie, ce principe n'est plus vrai: deux corps liés gravitationnellement n'auront plus la même énergie de liaison gravitationnelle ni dans l'espace ni au cours du temps et ne tomberont donc pas de la même manière!  ]

La cosmologie et la physique sont aujourd’hui au seuil d’un probable profond remaniement de leurs conceptions. La théorie des cordes (objets élémentaires s’enroulant dans un espace-temps à plusieurs dimensions et dont les vibrations engendrent les particules) ouvre la possibilité à une violation de ce principe d’équivalence. J’y reviendrai très prochainement. 

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