Une suggestion renouvelée selon laquelle l'énergie noire n'est peut-être pas réelle - se dispensant de 70 % des éléments de l'univers - a relancé un débat de longue date.

L'énergie noire et la matière noire sont des inventions théoriques qui expliquent des observations que nous ne pouvons pas comprendre autrement.

A l'échelle des galaxies, la gravité semble être plus forte que ce que nous pouvons expliquer en utilisant uniquement des particules capables d'émettre de la lumière. Nous ajoutons donc des particules de matière noire comme 25% de la masse-énergie de l'Univers. De telles particules n'ont jamais été détectées directement.

Sur les plus grandes échelles sur lesquelles l'Univers s'étend, la gravité apparaît plus faible que prévu dans un univers ne contenant que des particules – qu'il s'agisse de matière ordinaire ou noire. On ajoute donc "l'énergie noire" :une force anti-gravité faible qui agit indépendamment de la matière.

Brève histoire de « l'énergie noire »

L'idée de l'énergie noire est aussi ancienne que la relativité générale elle-même. Albert Einstein l'a inclus lorsqu'il a appliqué pour la première fois la relativité à la cosmologie il y a exactement 100 ans.

Einstein voulait à tort équilibrer exactement l'auto-attraction de la matière par l'anti-gravité sur les plus grandes échelles. Il ne pouvait pas imaginer que l'Univers avait un commencement et ne voulait pas qu'il change dans le temps.

On ne savait presque rien de l'Univers en 1917. L'idée même que les galaxies étaient des objets à de grandes distances a été débattue.

Einstein fait face à un dilemme. L'essence physique de sa théorie, comme résumé des décennies plus tard dans l'introduction d'un célèbre manuel est :

La matière dit à l'espace comment se courber, et l'espace dit à la matière comment se déplacer.

Cela signifie que l'espace veut naturellement s'étendre ou se contracter, plier avec la matière. Il ne s'arrête jamais.

Cela a été réalisé par Alexander Friedmann qui en 1922 a gardé les mêmes ingrédients qu'Einstein. Mais il n'a pas essayé d'équilibrer la quantité de matière et d'énergie noire. Cela suggérait un modèle dans lequel des univers pourraient s'étendre ou se contracter.

Plus loin, l'expansion ralentirait toujours si seulement la matière était présente. Mais cela pourrait s'accélérer si l'énergie noire anti-gravitation était incluse.

Depuis la fin des années 1990, de nombreuses observations indépendantes ont semblé exiger une telle expansion accélérée, dans un Univers à 70 % d'énergie noire. Mais cette conclusion repose sur l'ancien modèle d'expansion qui n'a pas changé depuis les années 1920.

Modèle cosmologique standard

Les équations d'Einstein sont diaboliquement difficiles. Et pas simplement parce qu'il y en a plus que dans la théorie de la gravité d'Isaac Newton.

Malheureusement, Einstein a laissé quelques questions fondamentales sans réponse. Ceux-ci incluent - à quelles échelles la matière dit-elle à l'espace comment se courber ? Quel est le plus gros objet qui se déplace en tant que particule individuelle en réponse ? Et quelle est la bonne image à d'autres échelles ?

Ces problèmes sont commodément évités par l'approximation centenaire - introduite par Einstein et Friedmann - selon laquelle, en moyenne, l'Univers s'étend uniformément. Tout comme si toutes les structures cosmiques pouvaient être passées au mixeur pour faire une soupe sans relief.

Cette approximation d'homogénéisation a été justifiée au début de l'histoire cosmique. Nous savons grâce au fond diffus cosmologique (le rayonnement relique du Big Bang) que les variations de densité de matière étaient infimes lorsque l'Univers avait moins d'un million d'années.

Mais l'univers est ne pas homogène aujourd'hui. L'instabilité gravitationnelle a conduit à la croissance des étoiles, galactique, amas de galaxies, et finalement un vaste "web cosmique", dominé en volume par des vides entourés de nappes de galaxies et enfilés de filaments vaporeux.

En cosmologie standard, nous supposons un arrière-plan en expansion comme s'il n'y avait pas de structures cosmiques. Nous effectuons ensuite des simulations informatiques en utilisant uniquement la théorie de Newton vieille de 330 ans. Cela produit une structure ressemblant à la toile cosmique observée d'une manière raisonnablement convaincante. Mais cela nécessite d'inclure l'énergie noire et la matière noire comme ingrédients.

Même après avoir inventé 95% de la densité énergétique de l'univers pour faire fonctionner les choses, le modèle lui-même est toujours confronté à des problèmes qui vont des tensions aux anomalies.

Plus loin, la cosmologie standard fixe également la courbure de l'espace pour qu'elle soit uniforme partout, et découplée de la matière. Mais cela va à l'encontre de l'idée de base d'Einstein selon laquelle la matière indique à l'espace comment se courber.

Nous n'utilisons pas toute la relativité générale ! Le modèle standard se résume mieux comme suit : Friedmann dit à l'espace comment se courber, et Newton dit à la matière comment se déplacer.

Entrez "réaction en retour"

Depuis le début des années 2000, certains cosmologistes ont exploré l'idée que si les équations d'Einstein relient la matière et la courbure à petite échelle, leur moyenne à grande échelle pourrait donner lieu à une réaction inverse – une expansion moyenne qui n'est pas exactement homogène.

Les distributions de matière et de courbure commencent presque uniformément lorsque l'univers est jeune. Mais à mesure que la toile cosmique émerge et devient plus complexe, les variations de courbure à petite échelle deviennent importantes et l'expansion moyenne peut différer de celle de la cosmologie standard.

Les résultats numériques récents d'une équipe à Budapest et à Hawaï qui prétendent se passer de l'énergie noire ont utilisé des simulations newtoniennes standard. Mais ils ont fait évoluer leur code dans le temps par une méthode non standard pour modéliser l'effet de réaction en retour.

Curieusement, la loi d'expansion résultante s'adapte aux pistes de données du satellite Planck très proche de celle d'un modèle de réaction rétroactif basé sur la relativité générale vieux de dix ans, connue sous le nom de cosmologie du paysage temporel. Il postule que nous devons calibrer les horloges et les règles différemment lorsque l'on considère les variations de courbure entre les galaxies et les vides. Pour une chose, cela signifie que l'Univers n'a plus un seul âge.

Au cours de la prochaine décennie, des expériences telles que le satellite Euclid et l'expérience CODEX, aura le pouvoir de tester si l'expansion cosmique suit la loi homogène de Friedmann, ou un modèle de réaction inverse alternatif.

Être préparé, il est important de ne pas mettre tous nos œufs dans le même panier cosmologique, comme Avi Loeb, Chaire d'astronomie à Harvard, a récemment mis en garde. Selon les mots de Loeb :

Pour éviter la stagnation et nourrir une culture scientifique dynamique, une frontière de recherche doit toujours conserver au moins deux manières d'interpréter les données afin que les nouvelles expériences visent à sélectionner la bonne. Un dialogue sain entre les différents points de vue devrait être favorisé à travers des conférences qui traitent de questions conceptuelles et pas seulement des résultats expérimentaux et de la phénoménologie, comme c'est souvent le cas actuellement.

Que peut nous apprendre la relativité générale ?

Alors que la plupart des chercheurs admettent que les effets de rétro-réaction existent, le vrai débat est de savoir si cela peut conduire à une différence de plus de 1% ou 2% par rapport au bilan masse-énergie de la cosmologie standard.

Toute solution de réaction qui élimine l'énergie noire doit expliquer pourquoi la loi d'expansion moyenne apparaît si uniforme malgré l'inhomogénéité de la toile cosmique, quelque chose que la cosmologie standard suppose sans explication.

Puisque les équations d'Einstein peuvent en principe faire s'étendre l'espace de manière extrêmement compliquée, un certain principe de simplification est nécessaire pour leur moyenne à grande échelle. C'est l'approche de la cosmologie des paysages temporels.

Tout principe simplificateur pour les moyennes cosmologiques est susceptible d'avoir ses origines dans le tout premier Univers, étant donné que c'était beaucoup plus simple que l'Univers aujourd'hui. Depuis 38 ans, Des modèles d'univers inflationnistes ont été invoqués pour expliquer la simplicité de l'Univers primitif.

Bien que couronnée de succès à certains égards, de nombreux modèles d'inflation sont désormais exclus par les données satellitaires de Planck. Ceux qui survivent donnent des indices alléchants de principes physiques plus profonds.

De nombreux physiciens considèrent encore l'Univers comme un continuum fixe qui existe indépendamment des champs de matière qui l'habitent. Mais, dans l'esprit de la relativité – que l'espace et le temps n'ont de sens que s'ils sont relationnels – nous devrons peut-être repenser des idées de base.

Puisque le temps lui-même n'est mesuré que par des particules avec une masse au repos non nulle, peut-être que l'espace-temps tel que nous le connaissons n'émerge que lorsque les premières particules massives se condensent.

Quelle que soit la théorie finale, il incarnera probablement l'innovation clé de la relativité générale, à savoir le couplage dynamique de la matière et de la géométrie, au niveau quantique.

Cet article a été initialement publié sur The Conversation. Lire l'article original.