L'énergie noire va-t-elle disloquer l'Univers?

©Eleni Debo

L’Univers est constitué majoritairement d’une mystérieuse "énergie noire". Impossible à observer… par définition. Une manière d’ouvrir la voie aux spéculations les plus folles.

Cela faisait quelque temps qu’Adam Riess traquait les explosions d’étoiles. Ces "supernovas" sont des événements astronomiques rares, d’une violence extrême, aussi brefs (quelques millisecondes) que puissamment intense (leur luminosité atteint 4 milliards de fois celle de notre Soleil). Mais pour Adam Riess, cette luminosité est un trésor: on peut la voir de loin, et qui dit loin en astronomie, dit loin dans le passé. Alors, lorsqu’un soir d’avril 1995, à l’observatoire du Mont Hopkins en Arizona, l’un de ses chercheurs découvre une supernova distante de plus de 5 milliards d’années-lumière, un record, il se réjouit déjà de cette plongée dans le temps. Mais il est loin d’imaginer la surprise qui l’attend.

"Ce que j’ai écrit dans mon carnet de laboratoire était stupéfiant! La seule manière était de permettre à l’Univers d’avoir une masse négative."
Adam Riess
prix Nobel de physique

La recherche de supernovas lointaines ne sert pas qu’à contempler la violence à l’œuvre dans l’espace, aussi anciennes soient-elles. Certaines d’entre elles, celles de type "1A" recherchées fiévreusement par Riess, ont cette particularité qu’elles explosent en émettant la même luminosité à chaque fois. Ce qui permet de les comparer. Dans le spectre de lumière, le décalage vers le rouge (appelé "redshift" en anglais) donne une indication de leur vitesse d’éloignement par rapport à nous. Depuis le chanoine belge Georges Lemaître, en 1927, on sait que l’Univers est en expansion. Mais ce qu’on ignore, c’est si cette expansion ralentit. Un peu comme un ballon qu’on gonfle à la force des poumons: après avoir atteint une certaine taille, la force d’expansion (votre souffle) ne parvient plus à contrer les forces de cohésion du ballon. Ou, en termes astronomiques, contrer les forces de gravitation. De quoi prédire que l’Univers va un jour arrêter de s’étendre et, pourquoi pas, s’effondrer sur lui-même (ce qu’on appelle, en anglais, le "Big Crunch").

L'insoutenable gravité de l'Univers ©doc

Excité, Adam Riess sort ses tables de calcul, et décrypte l’observation de sa supernova. Mais… "J’ai montré le résultat au reste de l’équipe, et ils ont gloussé nerveusement, se souvient Riess en 2011 devant l’assemblée de la prestigieuse académie royale des sciences de Suède, qui lui a remis le prix Nobel (ainsi qu’à son collègue Brian Schmidt et celui d’un autre laboratoire, Saul Perlmutter). Cette seule supernova se trouvait dans la région du diagramme indiquant que l’expansion de l’Univers… accélérait. Nous nous sommes consolés, en nous disant que la marge d’erreur était grande et qu’on pouvait être malchanceux avec un seul objet." Sauf que les résultats sont loin d’être faux! Ils seront corroborés par d’autres observations de supernova. Plus de doute permis, l’expansion de l’Univers s’accélère, expansion qui rejette en bloc tous les fondements de la physique gravitationnelle. Ces trouvailles sont si inattendues que les futurs récipiendaires du prix Nobel hésiteront encore pendant trois ans avant d’écrire un article sur le sujet, en 1998, dans le magazine Science. Un article qui, aujourd’hui encore, plonge les scientifiques dans la plus grande perplexité.

95% de matière inconnue

Comment la gravité, théorisée par Isaac Newton, magnifiée et affinée par Albert Einstein, peut-elle à ce point échapper à l’observation? La seule possibilité, c’est qu’une autre force mystérieuse, plus puissante, est à l’œuvre. Comme si une myriade de vagues invisibles séparaient tout objet galactique pour privilégier le vide, créer le néant. Et elle est massive: pas moins de 70% de notre Univers. Faute de mieux, on l’appellera "énergie noire". Fort bien, mais quelle est sa composante? Et en quoi influence-t-elle le destin de l’Univers? Depuis 20 ans, les scientifiques s’écharpent à ce sujet. D’autant qu’une autre donnée mystérieuse vient encombrer leur cerveau: la matière noire, notion développée dans les années 1970. Là où l’énergie noire agirait sur le mouvement de l’Univers, la matière noire viendrait "compenser" l’écart colossal de mesure entre la masse dynamique des galaxies et une masse tirée de l’observation de leur lumière émise. L’erreur n’est pas mince: l’Univers serait constitué de 25% de matière noire, dont on ne sait absolument rien. Ajoutez-y les 70% d’énergie noire, et faites le calcul: seuls 5% de l’Univers seraient de la matière observable… et connue!

©Eleni Debo

Revenons au gros morceau: l’énergie noire. Plusieurs théories existent à son sujet. Mais aucune ne remplit le gouffre apparu dans les équations réputées les plus solides. Le "modèle standard" lui-même, l’échafaudage qui, tant bien que mal, parvenait à tenir ensemble les forces régulant l’infiniment grand et celles de l’infiniment petit, ce modèle s’effondre. Par de multiples contorsions, certains scientifiques tentent encore de le sauver. Mais, comme le couvercle d’un Tupperware de mauvaise taille, sitôt parviennent-ils à enfoncer un coin, qu’un autre saute. Comme cette constante cosmologique, introduite puis reniée par Einstein dans l’équation dérivée de sa relativité générale pour expliquer l’Univers en expansion ("L’erreur la plus patente de ma vie", dixit Einstein). On a cru un temps qu’elle ferait l’affaire. Mais les résultats ne collent pas: la différence entre le calcul et la réalité atteint 120 ordres de grandeur (soit 1 avec 120 zéros)!

Adam Riess était conscient du chaos que lui et ses collègues laissaient à ses contemporains. "Ce que j’avais tout d’abord mesuré et écrit dans mon carnet de laboratoire à l’automne 1997 était stupéfiant! La seule manière pour traduire le changement dans le taux d’expansion que je voyais était de permettre à l’Univers d’avoir une masse négative."

Une masse négative… Et si la solution se trouvait là? C’est en tout cas l’orientation que prend le physicien français Gabriel Chardin, directeur de recherche au CNRS. Il vient de sortir un livre à ce sujet. La notion échappe à notre sens commun mais, aussi saugrenue soit-elle, elle est tout à fait réaliste. Observons cette matière que nous connaissons et qui nous entoure. Elle a une masse, elle est constituée de molécules, d’atomes, d’électrons, de noyaux atomiques jusqu’aux particules dites élémentaires, celles qu’on ne peut plus diviser. Eh bien, imaginez à présent que chacun de ces éléments a un cousin-miroir, un objet opposé en tous points, jusqu’à posséder une masse identique mais négative: c’est l’antimatière. "La matière et l’antimatière sont deux objets identiques, deux mêmes faces opposées du même objet, nous explique Gabriel Chardin. L’antimatière apparaît comme une matière de masse et d’énergie négative, du moins dans la théorie, une matière qui remonte le temps par rapport à nous." Qui remonte le temps, tout à fait. Et ce n’est pas sa seule curiosité. Nous y reviendrons.

Un gramme = une centrale nucléaire

L’aventure de l’antimatière commence déjà en 1930. C’est le physicien britannique Paul Dirac qui, en 1930, la découvre… en résolvant une équation (appelée désormais l’équation de Dirac, qui réconcilie la relativité restreinte d’Einstein et la physique quantique). Une équation remarquablement simple, mais dont la solution admet deux réponses opposées. Un peu comme l’équation x2 = 4 nous mène à deux solutions: 2 et son opposé -2. Un peu aussi comme ces moutons de campagne que, lors d’un voyage en train quelque temps après cette découverte, le collègue de Dirac, Wolfgang Pauli, montre à travers la fenêtre: "Il semble que les moutons ont été fraîchement tondus." Le ténébreux Dirac lui répond, après une longue observation: "… du moins de ce côté-ci."

"L’antimatière apparaît comme une matière de masse et d’énergie négative, une matière qui remonte le temps par rapport à nous."
Gabriel Chardin
directeur de recherche au CNRS

Un an plus tard, un autre physicien, Carl David Anderson, ignorant tout de l’équation de Dirac, branche ses instruments pour étudier les rayons cosmiques atteignant la Terre. Il observe une particule étrange qui ne peut être qu’un antiélectron, le parfait opposé de l’électron. L’antimatière devient réalité, mais hélas! on ne peut l’observer que dans l’espace. "Il y en a peu dans notre environnement, explique Garbriel Chardin, parce que comme c’est un double opposé, dès que matière et antimatière se rencontrent, elles s’annihilent et génèrent de l’énergie." Et quelle énergie! Un gramme d’antimatière mis en contact avec un gramme de matière ordinaire génère une énergie du même ordre que la fission nucléaire dans nos centrales. Depuis, pourtant, l’antimatière a tant fait parler d’elle que les scientifiques en ont fait une source de recherche théorique, et l’ont intégrée à leurs équations.

En 1983, le physicien israélien Mordehai Milgrom propose de reprendre la loi universelle de la gravitation de Newton (1687) et d’y appliquer des masses négatives (modèle appelé Modified Newtonian Dynamics, ou Mond). Pourquoi ne les a-t-on pas observées plus tôt?, plaide Milgrom. Parce que nous n’avions vérifié les lois gravitationnelles que dans les champs gravitationnels forts, ceux de notre système solaire. Réécrivons-les, suggère-t-il encore, et appliquons-les à des champs gravitationnels faibles, dans l’espace intersidéral, en dehors de notre Système solaire. Sauf qu’il est pour l’heure impossible de l’expérimenter. Le seul objet humain qui aurait pu le faire est Voyager 1. Lancée en 1997, la sonde a quitté depuis 2012 la zone d’influence magnétique du Soleil. Mais il lui faudra plusieurs siècles avant de sortir définitivement de sa zone gravitationnelle.

À la recherche de l'Univers invisible ©doc

Mais tenons bon, car l’idée de l’antimatière est séduisante. Si on suit le raisonnement jusqu’au bout, et si on accepte que l’antimatière possède une masse négative et remonte le temps, elle pourrait aussi agir à l’opposé de sa cousine en matière de gravité: au lieu d’être attirée par ses semblables, elle en serait repoussée, elle "antigraviterait". C’est possible. En tout cas d’après le cosmologue autrichien Hermann Bondi qui l’a démontré mathématiquement en 1957. Et il va plus loin: lorsqu’une masse négative rencontre une masse positive, elle la "poursuivrait" et la pousserait, accélérant ainsi son mouvement. Le modèle de Bondi est d’autant plus pertinent qu’il s’adapte parfaitement aux équations de la relativité générale d’Einstein. On aurait donc notre force répulsive, responsable de l’accélération de l’expansion de l’Univers. Mais, une fois encore, comment le prouver par l’expérience?

Gabriel Chardin croit en sa bonne étoile. Et son heure pourrait bien venir d’ici la fin de l’année, au Cern, le plus grand centre de physique des particules au monde, basé en Suisse. Lancés à partir de 2005, les projets AEgIS, Gbar et Alpha-g ont réussi à piéger des antiatomes d’hydrogène, parfaits opposés de l’hydrogène. Et ce, pendant un temps suffisamment long pour étudier en détail leurs propriétés. La prochaine expérience concerne justement cet aspect de l’antimatière: son comportement gravitationnel. Chardin est patient. "Ce que j’attends, c’est que l’anti-hydrogène remonte, une anti-gravité complète." Ce serait alors le chaînon manquant, même si nombre de scientifiques continueraient à douter. "Les gens n’ont pas compris les arguments. Je ne cherche pas à modifier la relativité générale d’Einstein. Je l’utilise quand on prend au sérieux l’existence de masse négative."

Mais alors, que deviendrait l’Univers? "Il continuera à augmenter. Il a une expansion indéfinie, l’antimatière reste dans ce qu’on pourrait appeler des zones quasi vides de l’Univers, en grands nuages froids, elle essaie d’occuper toute la place." Jusqu’à la "Grande Déchirure" ("Big Rip")? Cette théorie apocalyptique prédit la fin de l’Univers, écartelé par les forces de dislocations de plus en plus violentes. "Dans le Modèle standard cosmologique, l’énergie noire est en train de prendre le dessus et ça s’accélérera, c’est-à-dire que dans le futur lointain, les galaxies ne se verront quasiment plus les unes les autres. Le ciel deviendra noir en dehors des étoiles locales. Dans notre modèle, elles s’éloignent beaucoup moins vite." Ouf! À moins qu’une autre observation vienne une nouvelle fois mettre à terre notre vision de l’Univers. Comme dirait Adam Riess, notre prix Nobel qui a tout déclenché, "nous ne sommes que le glaçage sur un gâteau, nous ne savons pas ce qu’il y a dedans".

Suggestions de lecture

"L’insoutenable gravité de l’Univers"   Gabriel Chardin (2018),Le pommier, 464 p., 25 euros.

Un livre dense et passionnant, qui revient sur les fondements de la cosmologie et les théories de la relativité d’Einstein, avant d’aborder les notions plus complexes mais non moins fascinantes des trous noirs, trous de ver, ondes gravitationnelles et théorie des cordes, préalables importants pour introduire la théorie que porte à bout de bras Gabriel Chardin, directeur de recherche au CNRS: l’antimatière, comme substrat à l’expansion de l’Univers.

"À la recherche de l’Univers invisible"   David Elbaz (2016),Odile Jacob, 205 p., 22,90 euros.

Grand vulgarisateur, David Elbaz, par ailleurs astrophysicien au Commissariat à l’énergie atomique, revient sur le "triolet noir de notre ignorance": les trous noirs, la matière noire et l’énergie noire. Pour lui, les dernières découvertes ont poussé la cosmologie devant un abîme vertigineux qui remet en question nos observations elles-mêmes.


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