Note de la rédaction : Cette histoire a été initialement imprimée dans le numéro de février 2004 de Scientific American. Nous repostons cette histoire parce que l’auteur Adam Riess a été sélectionné en tant que MacArthur Fellow en 2008 par la Fondation MacArthur.
De l’époque d’Isaac Newton à la fin des années 1990, la caractéristique déterminante de la gravité était sa nature attractive. La gravité nous maintient au sol. Elle ralentit l’ascension des balles de baseball et maintient la lune en orbite autour de la terre. La gravité empêche notre système solaire de se disloquer et lie ensemble d’énormes amas de galaxies. Bien que la théorie générale de la relativité d’Einstein permette à la gravité de pousser et de tirer, la plupart des physiciens considéraient cette possibilité comme purement théorique, sans rapport avec l’univers actuel. Jusqu’à récemment, les astronomes s’attendaient pleinement à voir la gravité ralentir l’expansion du cosmos.
En 1998, cependant, les chercheurs ont découvert le côté répulsif de la gravité. En observant attentivement des supernovae lointaines – des explosions stellaires qui, pendant un bref moment, brillent aussi fort que 10 milliards de soleils – les astronomes ont constaté qu’elles étaient plus faibles que prévu. L’explication la plus plausible de cet écart est que la lumière des supernovae, qui ont explosé il y a des milliards d’années, a parcouru une plus grande distance que ce que les théoriciens avaient prévu. Cette explication a conduit à la conclusion que l’expansion de l’univers s’accélère et ne ralentit pas. Cette découverte était si radicale que certains cosmologistes ont suggéré que la baisse de luminosité des supernovas était due à d’autres effets, comme la poussière intergalactique qui atténue la lumière. Au cours des dernières années, cependant, les astronomes ont solidifié les arguments en faveur de l’accélération cosmique en étudiant des supernovae de plus en plus éloignées.
Mais l’expansion cosmique s’est-elle accélérée tout au long de la vie de l’univers, ou est-ce un développement relativement récent – c’est-à-dire survenu au cours des cinq derniers milliards d’années environ ? La réponse à cette question a de profondes implications. Si les scientifiques découvrent que l’expansion de l’univers s’est toujours accélérée, ils devront revoir complètement leur compréhension de l’évolution cosmique. Mais si, comme le prévoient les cosmologistes, l’accélération s’avère être un phénomène récent, les chercheurs pourront peut-être en déterminer la cause – et peut-être répondre à la question plus vaste du destin de l’univers – en apprenant quand et comment l’expansion a commencé à s’accélérer.
La Bataille des Titans
Il y a près de 75 ans, l’astronome Edwin Hubble a découvert l’expansion de l’univers en observant que d’autres galaxies s’éloignent de la nôtre. Il a remarqué que les galaxies les plus éloignées s’éloignaient plus rapidement que les galaxies proches, conformément à ce que l’on appelle aujourd’hui la loi de Hubble (la vitesse relative est égale à la distance multipliée par la constante de Hubble). Considérée dans le contexte de la théorie générale de la relativité d’Einstein, la loi de Hubble découle de l’expansion uniforme de l’espace, qui n’est qu’une mise à l’échelle de la taille de l’univers.
Dans la théorie d’Einstein, la notion de gravité en tant que force d’attraction reste valable pour toutes les formes connues de matière et d’énergie, même à l’échelle cosmique. Par conséquent, la relativité générale prédit que l’expansion de l’univers devrait ralentir à un rythme déterminé par la densité de matière et d’énergie en son sein. Mais la relativité générale prévoit également la possibilité de formes d’énergie dotées de propriétés étranges qui produisent une gravité répulsive. La découverte d’une accélération plutôt que d’une décélération de l’expansion a apparemment révélé la présence d’une telle forme d’énergie, appelée énergie sombre.
La question de savoir si l’expansion ralentit ou accélère dépend d’un combat entre deux titans : la force gravitationnelle attractive de la matière et la force gravitationnelle répulsive de l’énergie sombre. Ce qui compte dans ce combat, c’est la densité de chacun. La densité de la matière diminue à mesure que l’univers s’étend, car le volume de l’espace augmente. (Seule une petite fraction de la matière se présente sous la forme d’étoiles lumineuses ; on pense que la majeure partie est constituée de matière noire, qui n’interagit pas de manière notable avec la matière ordinaire ou la lumière mais exerce une gravité attractive). Bien que l’on sache peu de choses sur l’énergie noire, on s’attend à ce que sa densité change lentement ou pas du tout au fur et à mesure de l’expansion de l’univers. Actuellement, la densité de l’énergie noire est plus élevée que celle de la matière, mais dans un passé lointain, la densité de la matière aurait dû être plus importante, de sorte que l’expansion aurait dû ralentir à ce moment-là.
Les cosmologistes ont d’autres raisons de s’attendre à ce que l’expansion de l’univers ne s’accélère pas toujours. Si tel avait été le cas, les scientifiques seraient bien en peine d’expliquer l’existence des structures cosmiques observées dans l’univers aujourd’hui. Selon la théorie cosmologique, les galaxies, les amas de galaxies et les structures plus grandes ont évolué à partir de petites inhomogénéités dans la densité de la matière de l’univers primitif, qui sont révélées par les variations de la température du fond diffus cosmologique (CMB). La gravité attractive plus forte des régions surdenses de matière a stoppé leur expansion, leur permettant de former des objets gravitationnellement liés – des galaxies comme la nôtre aux grands amas de galaxies. Mais si l’expansion de l’univers avait toujours été accélérée, les structures se seraient disloquées avant de pouvoir être assemblées. De plus, si l’expansion avait été accélérée, deux aspects clés de l’univers primitif – le schéma des variations du CMB et les abondances des éléments légers produits quelques secondes après le big bang – ne concorderaient pas avec les observations actuelles.
Néanmoins, il est important de rechercher des preuves directes d’une phase d’expansion plus ancienne et plus lente. De telles preuves contribueraient à confirmer le modèle cosmologique standard et donneraient aux scientifiques un indice de la cause sous-jacente de la période actuelle d’accélération cosmique. Comme les télescopes remontent le temps en recueillant la lumière d’étoiles et de galaxies lointaines, les astronomes peuvent explorer l’histoire de l’expansion de l’univers en se concentrant sur des objets éloignés. Cette histoire est encodée dans la relation entre les distances et les vitesses de récession des galaxies. Si l’expansion ralentit, la vitesse d’une galaxie distante sera relativement plus grande que la vitesse prédite par la loi de Hubble. Si l’expansion s’accélère, la vitesse de la galaxie distante sera inférieure à la valeur prédite. Ou, pour le dire autrement, une galaxie avec une vitesse de récession donnée sera plus éloignée que prévu – et donc plus faible – si l’univers s’accélère.
La chasse aux supernovas
POUR PRENDRE AVANTAGE de ce simple fait, il faut trouver des objets astronomiques qui ont une luminosité intrinsèque connue – la quantité de rayonnement par seconde produite par l’objet – et qui peuvent être vus dans tout l’univers. Une classe particulière de supernovae, connue sous le nom de type Ia, est bien adaptée à cette tâche. Ces explosions stellaires sont si lumineuses que les télescopes terrestres peuvent les voir à mi-chemin de l’univers visible, et le télescope spatial Hubble peut les voir d’encore plus loin. Au cours de la dernière décennie, les chercheurs ont soigneusement calibré la luminosité intrinsèque des supernovae de type Ia, de sorte que la distance à l’une de ces explosions peut être déterminée à partir de sa luminosité apparente.
Les astronomes peuvent déduire la vitesse de récession d’une supernova en mesurant le décalage vers le rouge de la lumière de la galaxie dans laquelle elle se trouve. Le rayonnement des objets qui s’éloignent est décalé vers des longueurs d’onde plus grandes ; par exemple, la lumière émise lorsque l’univers avait la moitié de sa taille actuelle doublera en longueur d’onde et deviendra plus rouge. En jaugeant le décalage vers le rouge et la luminosité apparente d’un grand nombre de supernovae situées à des distances variées, les chercheurs peuvent créer un enregistrement de l’expansion de l’univers.
Malheureusement, les supernovae de type Ia sont rares, ne se produisant dans une galaxie comme la Voie lactée qu’une fois tous les quelques siècles en moyenne. La technique utilisée par les chasseurs de supernovae consiste à observer de manière répétée une parcelle de ciel contenant des milliers de galaxies, puis à comparer les images. Un point lumineux transitoire qui apparaît sur une image mais pas sur une image précédente pourrait être une supernova. Les résultats de 1998 montrant des preuves de l’accélération cosmique étaient basés sur les observations de deux équipes qui ont examiné des supernovae qui ont explosé lorsque l’univers avait environ deux tiers de sa taille actuelle, il y a environ cinq milliards d’années.
Certains scientifiques se sont toutefois demandé si les équipes avaient correctement interprété les données des supernovae. Est-il possible qu’un autre effet que l’accélération cosmique ait pu faire apparaître les supernovae plus faibles que prévu ? La poussière remplissant l’espace intergalactique pourrait également faire apparaître les supernovae plus faibles. Ou peut-être que les supernovae anciennes sont simplement nées plus faibles parce que la composition chimique de l’univers était différente de ce qu’elle est aujourd’hui, avec une plus faible abondance des éléments lourds produits par les réactions nucléaires dans les étoiles.
Heureusement, un bon test des hypothèses concurrentes est disponible. Si les supernovae apparaissent plus faibles que prévu en raison d’une cause astrophysique, comme un écran de poussière omniprésent, ou parce que les supernovae passées sont nées plus faibles, les effets d’assombrissement putatifs devraient augmenter avec le décalage vers le rouge des objets. Mais si l’assombrissement est le résultat d’une récente accélération cosmique qui a suivi une ère antérieure de décélération, les supernovae de la période de ralentissement apparaîtraient relativement plus brillantes. Par conséquent, les observations des supernovae qui ont explosé lorsque l’univers avait moins de deux tiers de sa taille actuelle pourraient fournir les preuves permettant de déterminer laquelle des deux hypothèses est correcte. (Il est possible, bien sûr, qu’un phénomène astrophysique inconnu puisse correspondre précisément aux effets de l’accélération et du ralentissement, mais les scientifiques ne sont généralement pas favorables à de telles explications accordées artificiellement.)
Trouver de telles supernovae anciennes et lointaines est cependant difficile. Une supernova de type Ia qui a explosé lorsque l’univers avait la moitié de sa taille actuelle est environ un dix milliardième aussi brillante que Sirius, l’étoile la plus brillante du ciel. Les télescopes terrestres ne peuvent pas détecter ces objets de manière fiable, mais le télescope spatial Hubble le peut. En 2001, l’un d’entre nous (Riess) a annoncé que le télescope spatial avait fortuitement imagé une supernova de type Ia extrêmement lointaine (surnommée SN 1997ff) lors d’observations répétées. Étant donné le décalage vers le rouge de la lumière de cette explosion stellaire – qui s’est produite il y a environ 10 milliards d’années, lorsque l’univers avait un tiers de sa taille actuelle – l’objet est apparu beaucoup plus brillant qu’il ne l’aurait été si l’hypothèse de l’univers poussiéreux était vraie. Ce résultat a été la première preuve directe de l’existence d’une époque de décélération. Tous les deux, nous avons proposé que l’observation d’un plus grand nombre de supernovae à haute distance puisse fournir une preuve définitive et cerner la transition entre le ralentissement et l’accélération.
L’Advanced Camera for Surveys, un nouvel instrument d’imagerie installé sur le télescope spatial en 2002, a permis aux scientifiques de transformer Hubble en une machine à chasser les supernovas. Riess a dirigé un effort visant à découvrir l’échantillon nécessaire de supernovae de type Ia très distantes en s’appuyant sur le Great Observatories Origins Deep Survey. L’équipe a trouvé six supernovae qui ont explosé lorsque l’univers avait moins de la moitié de sa taille actuelle (il y a plus de sept milliards d’années) ; avec SN 1997ff, ce sont les supernovae de type Ia les plus lointaines jamais découvertes. Les observations confirment l’existence d’une période de ralentissement précoce et situent le « point de transition » entre le ralentissement et l’accélération à environ cinq milliards d’années. Cette découverte est conforme aux attentes théoriques et est donc rassurante pour les cosmologistes. L’accélération cosmique a été une surprise et une nouvelle énigme à résoudre, mais elle n’est pas surprenante au point de nous faire repenser une grande partie de ce que nous pensions comprendre de l’univers.
Notre destin cosmique
Les SUPERNOVAIRES ANCIENS ont également fourni de nouveaux indices sur l’énergie sombre, la cause sous-jacente de l’accélération cosmique. Le principal candidat pour expliquer les effets de l’énergie noire est l’énergie du vide, qui est mathématiquement équivalente à la constante cosmologique qu’Einstein a inventée en 1917. Comme Einstein pensait devoir modéliser un univers statique, il a introduit son « facteur cosmologique » pour équilibrer la gravité attractive de la matière. Dans cette recette, la densité de la constante était la moitié de celle de la matière. Mais pour produire l’accélération observée de l’univers, la densité de la constante devrait être deux fois supérieure à celle de la matière. D’où pourrait provenir cette densité d’énergie ? Le principe d’incertitude de la mécanique quantique exige que le vide soit rempli de particules qui vivent en empruntant du temps et de l’énergie, entrant et sortant de l’existence. Mais lorsque les théoriciens tentent de calculer la densité d’énergie associée au vide quantique, ils obtiennent des valeurs qui sont au moins 55 ordres de grandeur trop élevées. Si la densité d’énergie du vide était vraiment aussi élevée, toute la matière de l’univers s’envolerait instantanément et les galaxies ne se seraient jamais formées.
Cette divergence a été qualifiée de pire embarras de toute la physique théorique, mais elle pourrait en fait être le signe d’une grande opportunité. Bien qu’il soit possible que de nouvelles tentatives d’estimation de la densité d’énergie du vide donnent juste ce qu’il faut pour expliquer l’accélération cosmique, de nombreux théoriciens pensent qu’un calcul correct, intégrant un nouveau principe de symétrie, conduira à la conclusion que l’énergie associée au vide quantique est nulle. (Même le néant quantique ne pèse rien !) Si cela est vrai, quelque chose d’autre doit être à l’origine de l’accélération de l’expansion de l’univers.
Les théoriciens ont proposé diverses idées, allant de l’influence de dimensions supplémentaires et cachées à l’énergie associée à un nouveau champ de la nature, parfois appelé quintessence. En général, ces hypothèses postulent une densité d’énergie noire qui n’est pas constante et qui diminue habituellement à mesure que l’univers s’étend. (Mais la suggestion selon laquelle la densité de l’énergie sombre augmente en fait à mesure que l’univers s’étend a également été avancée). L’idée la plus radicale est peut-être qu’il n’y a pas du tout d’énergie noire mais plutôt que la théorie de la gravité d’Einstein doit être modifiée.
Parce que la façon dont la densité d’énergie noire varie dépend du modèle théorique, chaque théorie prédit un moment différent pour le point de transition où l’expansion de l’univers est passée du ralentissement à l’accélération. Si la densité d’énergie sombre diminue au fur et à mesure de l’expansion de l’univers, alors le point de basculement se produit plus tôt dans le temps qu’il ne le ferait pour un modèle supposant une densité d’énergie sombre constante. Même les modèles théoriques où la gravité est modifiée entraînent une signature perceptible dans le temps de basculement. Les derniers résultats des supernovas sont compatibles avec les théories qui postulent une densité d’énergie sombre constante, mais ils sont également en accord avec la plupart des modèles qui supposent une densité d’énergie sombre variable. Seules les théories stipulant de grandes variations de la densité d’énergie noire ont été écartées.
Pour réduire l’éventail des possibilités théoriques, le télescope spatial Hubble continue de recueillir des données sur les supernovas qui pourraient cerner les détails de la phase de transition. Bien que le télescope spatial reste le seul moyen de sonder l’histoire précoce de l’expansion cosmique, plus d’une demi-douzaine de programmes au sol tentent d’améliorer la précision de la mesure de l’accélération cosmique récente, suffisamment pour révéler la physique de l’énergie sombre. Le projet le plus ambitieux est la Joint Dark Energy Mission (JDEM) proposée par le département américain de l’énergie et la NASA. JDEM est un télescope spatial de deux mètres à grand champ, dont la mission est de découvrir et de mesurer avec précision des milliers de supernovae de type Ia. Les chasseurs de supernovae espèrent voir JDEM lancé au début de la prochaine décennie ; d’ici là, ils devront compter sur le télescope Hubble pour détecter les explosions stellaires les plus lointaines.
La résolution du mystère de l’accélération cosmique révélera le destin de notre univers. Si la densité d’énergie sombre est constante ou augmente avec le temps, dans une centaine de milliards d’années, toutes les galaxies, sauf quelques centaines, seront beaucoup trop décalées vers le rouge pour être vues. Mais si la densité d’énergie sombre diminue et que la matière redevient dominante, notre horizon cosmique s’élargira, révélant une plus grande partie de l’univers. Des avenirs encore plus extrêmes (et mortels) sont possibles. Si la densité de l’énergie noire augmente au lieu de diminuer, l’univers finira par subir une « hyper accélération » qui détruira les galaxies, les systèmes solaires, les planètes et les noyaux atomiques, dans cet ordre. L’univers pourrait même se recollaber si la densité d’énergie noire tombe à une valeur négative. La seule façon de prévoir notre avenir cosmique est de comprendre la nature de l’énergie noire.