Une fenêtre pour éclairer l'énergie sombre

« Pour le moment, en général, les données correspondent au meilleur modèle de l’univers jusqu’à présent, mais il y a aussi quelques différences intéressantes qui suggèrent que l’énergie sombre peut être variable, évolue. » C'est ainsi que le directeur de la coopération DESI, Michael Levi, a présenté, en avril dernier, les premiers résultats de cette expérience.

Bien que cette interprétation ait soulevé des polémiques parmi les cosmologues, personne ne doute de la valeur des résultats obtenus par le DESI. Il s'agit de la plus grande expérience réalisée pour la recherche du cosmos. Et ils ont présenté une cartographie de l'univers sans précédent: une carte tridimensionnelle de six millions de galaxies et 450 000 quasars montrant comment la matière a été distribuée en onze milliards d'années. Tout cela pour essayer de comprendre ce qu'est l'énergie sombre, pour lequel ils ont conçu l'instrument de spectroscopie de l'énergie sombre (Dark Energy Spectroscopic A3) DESI.

« Dans le meilleur exemple de l’univers que nous avons, 95% de l’univers nous ne savons rien », dit Violeta González Pérez. Gonzalez est physicien théorique de l'Université Autonome de Madrid et l'un des 900 scientifiques qui collaborent au DESI. « C’est-à-dire, en tenant compte de toute la matière et de l’énergie de l’univers, 95% correspondent à une partie sombre que nous ne comprenons pas. C'est pourquoi la cosmologie est importante. En tant qu’êtres humains, nous avons besoin de comprendre ce que l’univers est fait. »

Violeta González Pérez. Physicien théorique de l'Université autonome de Madrid, en collaboration avec DESI.

En effet, la matière commune, ce que nous pouvons voir, ce que nous connaissons, n’est que 5% du total de la matière et de l’énergie de l’univers. Le reste est une matière sombre (27%) et une énergie sombre (68%). La matière sombre retient les étoiles et les galaxies unies, tandis que l'énergie sombre rend l'expansion de l'univers de plus en plus rapide.

Nous ne pouvons pas voir toute cette partie sombre de l'univers, du moins pas directement. « Comment se déplacent les galaxies, le gaz, etc. Il nous dit qu’il y a de la matière et de l’énergie obscure », explique González. « Autrement, nous ne comprenons pas bien la gravité. »

Comme elle influence le mouvement et l’évolution de ce que nous voyons, la lumière peut être utilisée pour essayer de comprendre le sombre. Et c'est ce que DESI fait: en recueillant la lumière provenant des galaxies et des quasars, en déterminant leur position dans le ciel et à quelle distance ils sont, il élabore des cartes tridimensionnelles. Et à travers ces cartes, vous pourrez analyser comment l'expansion de l'univers a été au fil du temps.

En fait, les cartes cosmiques sont également des machines du temps. Ils nous montrent le passé. Les objets les plus proches sont ceux qui sont les plus proches dans le temps, car la lumière a pris moins de temps pour atteindre où nous sommes. Nous voyons la Lune comme il était 1,3 secondes plus tôt; le Soleil comme il était 8 minutes plus tôt; les étoiles les plus brillantes comme il y a des décennies ou des siècles; et les galaxies, comme il y a des millions d'années. Le DESI voit l’univers d’il y a 11 milliards d’années. Il y a quelque chose, car on estime que l’univers a environ 13,8 milliards d’années.

5 000 robots

« Avant DESI, les cartes SDSS (Sloan Digital Sky Survey) étaient les meilleures », dit Gonzalez. « Pour chaque observation, il fallait une grande plaque d’aluminium avec environ mille trous. Et tous les soirs, pour chaque observation, dans ces mille trous, quelqu’un devait mettre les fibres à la main. » Chacune de ces fibres conduit à un spectrographe la lumière qui vient d'une galaxie ou d'un objet. Parce que pour connaître la distance, on mesure la vitesse à laquelle il s'éloigne de nous. Et cela se fait par une spectrométrie très concrète, mesurant la course au rouge des lignes d'émission de l'objet.

Sur le plan focal du DESI, il y a 5 000 positionneurs robotiques, chacun avec une fibre optique pour capter et analyser la lumière des galaxies. Ed. Collaboration DESI.

DESI dispose de 5 000 petits robots pour le positionnement automatique des fibres. Pour chaque observation, vous pouvez observer jusqu'à 5 000 objets, et une fois vos distances bien définies, vous pouvez passer à l'observation suivante. « Elle varie en fonction de l’objet que nous observons, mais dans le cas des galaxies avec des lignes d’émission, par exemple, elle a environ dix minutes pour mesurer précisément la distance », explique Gonzalez. SDSS a cartographié deux millions d'objets en 20 ans, tandis que DESI a fait six millions au cours de la première année. « C’est un énorme bond en matière de données », a souligné Gonzalez.

L'objectif du projet est de cartographier 37 millions de galaxies et 3 millions de quasars en cinq ans. « Nous venons de terminer la troisième année d’observation et environ 60% de l’objectif est cartographié, dit Gonzalez. « Nous allons un peu plus vite que prévu. »

Les résultats d'avril correspondent aux observations de la première année. « Les données sont très bien adaptées au modèle le plus accepté actuellement », déclare Gonzalez, tout comme le directeur de DESI. « Mais nous avons vu que si au lieu de maintenir la densité d’énergie sombre constante, nous permettons qu’elle change au fil du temps, les données s’ajustent un peu mieux. Le résultat est très intéressant, mais il faut le prendre avec beaucoup de prudence, car cette amélioration n’est pas si grande. »

« Je pense que nous devrions attendre de voir les données de trois ans », a ajouté Gonzalez. « Et si nous continuons à voir la même chose avec les données de trois ans, alors nous devrons penser à d’autres modèles d’énergies sombres, à des modèles de quintessence ou plus exotiques. »

Pour le moment, le modèle de référence de l'univers est Lambda-CDM, où Lambda est l'énergie sombre et CDM (Cold Dark Matter) matière sombre. La matière (sombre ou conventionnelle), par la force de la gravité, exerce une force contraire à l'expansion de l'univers. Et en conséquence, l'expansion entreprise dans le Big Bang ralentirait, peu à peu. On pensait que, jusqu'en 1998, deux groupes astronomiques ont découvert que l'expansion de l'univers ne ralentissait pas mais accélérait. Ils sont arrivés à la conclusion que l'énergie sombre est celle qui provoque l'accélération de l'expansion de l'univers. Alors, l'énergie sombre a remplacé la lambda constante cosmologique des équations d'Einstein.

Dans de nombreuses interprétations, on considère l'énergie associée à l'espace pur. Au fur et à mesure que l'univers s'agrandit, il crée plus d'espace, ce qui génère plus d'énergie sombre. Ainsi, la densité d'énergie sombre resterait constante.

Constante ou variable

« Si nous admettons que les propriétés de l’énergie sombre sont constantes, le modèle est plutôt tendre », dit Gonzalez. « Mais si nous disons qu’elle évolue, alors de nombreuses possibilités s’ouvrent. Et il existe de nombreux modèles qui expliquent comment l'énergie sombre peut changer au fil du temps. Par exemple, l’une de celles qui m’ont le plus attiré l’attention ces derniers temps est que l’énergie sombre peut être à l’intérieur des trous noirs, et comme l’évolution des trous noirs dépend de l’évolution des galaxies et, par conséquent, de l’évolution de l’univers, elle pourrait expliquer que l’énergie sombre ait aussi une évolution dans le temps ».

Carte des galaxies observées par le DESI pendant la première année. Au centre se trouve la Terre. Dans la partie élargie, vous pouvez voir comment la matière commune est distribuée dans l'univers: les galaxies sont empilées en formant des structures filetées, avec des lacunes de nombreux objets plus petits. Ed. Collaboration Claire Lamman/DESI/cmastro.

« Une autre option est que nous ne comprenons pas bien la gravité », dit Gonzalez. Autrement dit, les équations d'Einstein ne sont pas correctes. « Il y a des modèles qui changent la gravité. Mais le problème est que nous avons un système solaire très bien étudié et mesuré, et un modèle qui fait tout changement de gravité devrait dépasser ce degré de précision que nous avons pour le système solaire. Et c’est très difficile. »

« Avant même le DESI, avec d’autres données et observations, plusieurs chercheurs ont publié des modèles qui prédisent que l’énergie sombre est évolutive », explique Ruth Lazkoz Saez, professeur et chercheuse du département de physique théorique et d’histoire de la science de l’UPV/EHU. Son équipe a présenté en 2013, par exemple, un nouveau modèle qui alliait énergie et matière foncée; et dans ce modèle, ils ont également proposé que l'énergie sombre était dynamique. Et ils l'ont proposé dans un travail qu'ils ont fait récemment. « Il n’est pas si rare que l’énergie sombre soit évolutive, dit Lazkoz, il y a beaucoup de travaux qui prouvent que cela peut être le cas. »

Ruth Lazkoz Saez. Professeur et chercheur au département de physique théorique et d'histoire de la science de l'UPV.

Lazkoz considère que la partie la plus importante des résultats du DESI est celle des données: “Physique des données et astrophysique des données” Quant à la partie cosmologique, elle a plus de doutes. « Le groupe DESI a fait une interprétation, mais l’indéfinition est assez grande, et c’est là la clé. Au sein de cette indéfinition dérivée des données, comment est-il déduit que l’énergie sombre est variable ou est une conséquence de cette indéfinition?, cela n’est pas clair. »

« Des tests supplémentaires et des tests supplémentaires sont nécessaires pour savoir si cela est vrai ou non », a ajouté Lazkoz. « Un tel résultat ou un effet révolutionnaire doit être bien démontré et il faut le renforcer à plusieurs égards, avec des résultats différents. En fin de compte, la physique et la science est cela : pouvoir répéter les résultats et les conséquences ».

« Le problème est qu’il est physiquement très difficile de présenter un modèle meilleur que Lambda-CDM », explique Lazkoz. « Étant honnêtes, je pense que la plupart des autres modèles n’ont qu’une base mathématique ; ils manquent de base physique. »

L'avenir, inconnu

« Ce qui se passe, c’est que nous ne savons pas ce qu’est l’énergie sombre », explique Gonzalez. « Et nous ne savons pas ce qu’il est, nous ne savons pas s’il est constant. »

Et que ce soit constant ou non, l’avenir de l’univers peut être très différent.

S'il est constant, l'univers continuerait à se développer et progressivement tout se séparerait et se dissoudrait: galaxies, étoiles, planètes, et finalement aussi atomes. C'est ce qu'on appelle Big Rip ou Grande Abrasion.

Au contraire, si l'énergie sombre était diluée, comme on peut l'interpréter à partir des données du DESI, l'expansion s'arrêterait, et par la gravité tout finirait par une implosion ou Big Crunch. C'était la théorie principale avant l'apparition de l'énergie sombre.

D'autres résultats de DESIR et d'autres expériences comme Euclid, Vera Rubin, Nancy Roman et 4MOST viendront. Parmi eux, nous pouvons savoir comment des centaines de millions d’objets s’éloignent. Peut-être alors que nous sachions mieux ce qu'est cette mystérieuse énergie sombre.

DESI (télescope Mayall), observant l'univers. Ed. KPNO/NOIRLab/NSF/AURA/T.Slovinský.

Que savons-nous aujourd'hui de l'énergie sombre? « Ce que nous savons vraiment ? Car c’est la composante principale de l’univers qui génère l’accélération », a répondu Lazkoz. « C’est tout à fait prouvé. Cela n’est pas discuté. » De même, M. González a répondu: « À cette pression contre la gravité qui accélère l’expansion de l’univers, nous l’appelons énergie sombre. Si cette pression n’existait pas, l’expansion de l’univers serait ralentie jusqu’à ce qu’il s’arrête. Nous ne le savons sûrement pas. »

C’est-à-dire que nous savons encore très peu de cela qu’il constitue les deux tiers de l’univers. Et il reste l'un des plus grands mystères de la science. « Oui, avec la matière sombre, dit Lazkoz, ce sont les deux plus grands mystères de la cosmologie. »