Énergie sombre - Définition et Explications

En cosmologie, l'énergie sombre est une forme d'énergie hypothétique remplissant tout l'Univers et exerçant une pression négative se comportant comme une force gravitationnelle répulsive. L'énergie sombre pourrait expliquer l'accélération (L'accélération désigne couramment une augmentation de la vitesse ; en physique, plus précisément en cinématique,...) de l'expansion de l'univers (L'Univers est l'ensemble de tout ce qui existe et les lois qui le régissent.) et la constante cosmologique (La constante cosmologique est un paramètre rajouté par Einstein en février 1917 à ses équations de la relativité générale (1915), dans le but de rendre sa théorie...). Les recherches astrophysiques actuelles sur le sujet ont pour but principal de mesurer avec précision l'expansion de l'univers afin de déterminer la manière dont l'expansion varie avec le temps (Le temps est un concept développé par l'être humain pour appréhender le changement dans le monde.). L'univers en serait composé à environ 65 %.

Origine

L'énergie sombre (En cosmologie, l'énergie sombre est une forme d'énergie hypothétique remplissant tout l'Univers et exerçant une pression négative se comportant comme une force...) (à ne pas confondre, comme c'est souvent le cas, avec la matière (La matière est la substance qui compose tout corps ayant une réalité tangible. Ses trois états les plus communs sont l'état solide, l'état liquide, l'état gazeux. La...) sombre) est directement liée à la constante cosmologique. Celle-ci fut initialement proposée par Albert Einstein (Albert Einstein (né le 14 mars 1879 à Ulm, Wurtemberg, et mort le 18 avril 1955 à Princeton, New Jersey) est un physicien qui fut successivement...) comme un mécanisme pour contrer la gravitation (La gravitation est une des quatre interactions fondamentales de la physique.) et conduire à un univers statique (Le mot statique peut désigner ou qualifier ce qui est relatif à l'absence de mouvement. Il peut être employé comme :). Néanmoins, ce fait fut reconnu plus tard par Einstein lui-même, la constante cosmologique ne mène qu'à des modèles cosmologiques où l'univers était instable et l'existence d'inhomogénéités locales conduisent à une expansion ou une contraction de celui-ci à grande échelle (La grande échelle, aussi appelée échelle aérienne ou auto échelle, est un véhicule utilisé par les sapeurs-pompiers, et qui emporte une échelle...). De plus, les observations (L’observation est l’action de suivi attentif des phénomènes, sans volonté de les modifier, à l’aide de moyens d’enquête et d’étude appropriés. Le...) effectuées par Edwin Hubble (Le télescope spatial Hubble (en anglais, Hubble Space Telescope ou HST) est un télescope en orbite à environ 600 kilomètres d'altitude, il effectue un tour complet de la Terre toutes les...) en 1929 avaient montré que l'univers n'était pas statique mais en expansion. Après cette découverte, la constante cosmologique fut releguée au rang ( Mathématiques En algèbre linéaire, le rang d'une famille de vecteurs est la dimension du sous-espace vectoriel engendré par cette famille. Le théorème du rang lie le rang et la dimension du noyau d'une application...) de curiosité historique.

Dans les années 1970, Alan Guth a proposé que ce soit la constante cosmologique qui provoquerait l'inflation cosmique (L'inflation cosmique est un modèle cosmologique s'insérant dans le paradigme du Big Bang lors duquel une région de l'univers comprenant l'univers observable a connu une phase...) dans l'univers primordial. Même une fois que les modèles inflationnaires soient devenus largement acceptés, la constante cosmologique fut considérée comme inadéquate à la description de notre univers. Néanmoins, à la fin des années 1990, les satellites et les télescopes ont permis des mesures très précises des supernovas distantes et du rayonnement (Le rayonnement, synonyme de radiation en physique, désigne le processus d'émission ou de transmission d'énergie impliquant une particule porteuse.) fossile (Un fossile (dérivé du substantif du verbe latin fodere : fossile, littéralement « qui est fouillé ») est le reste (coquille,...) micro-onde (Les micro-ondes sont des ondes électromagnétiques de longueur d'onde intermédiaire entre l'infrarouge et les ondes de radiodiffusion. Le terme de micro-onde provient du fait que ces ondes ont une longueur...). Plusieurs caractéristiques observées peuvent être expliquées à l'aide de l'énergie sombre.

Nature

Du fait de sa nature répulsive, l'énergie sombre a tendance à accélérer l'expansion de l'univers, plutôt que le ralentissement (Le signal de ralentissement (de type SNCF) annonce une aiguille (ou plusieurs) en position déviée qui ne peut être franchie à la vitesse normale de la ligne.) attendu dans un univers dominé par la matière. Un univers accélérant est exactement ce que l'on constate en observant les supernovas les plus lointaines. D'une manière remarquable, les observations de supernovæ semblent indiquer que l'énergie sombre doit représenter environ 70% de la densité (La densité ou densité relative d'un corps est le rapport de sa masse volumique à la masse volumique d'un corps pris comme référence. Le corps de référence est l'eau pure à...) critique d'énergie. Ainsi, en additionnant les différentes énergies, on arrive exactement à ce qu'il faut pour avoir un univers actuel plat, correspondant aux observations.

Il semble nécessaire qu'une énergie répulsive soit largement présente dans l'univers afin d'assurer, globalement et localement, un équilibre avec l'énergie attractive de la gravité (La gravitation est une des quatre interactions fondamentales de la physique.). Ces deux énergies et la prise en considératon de la relation E=mc² permettent de traduire en énergie la totalité de la matière composant l'univers. Ainsi, il apparaît que l'univers ainsi que tous ses composants, y compris les hommes que nous sommes, sont issus, directement et à la suite de diverses transitions de phases connues, d'une énergie que l'on peut considerer comme "primordiale". Cette énergie serait ainsi la source de toutes les forces agissant dans l'univers : elle serait à l'origine du big bang (Le Big Bang est l’époque dense et chaude qu’a connu l’univers il y a environ 13,7 milliards d’années, ainsi que...). La nature exacte de l'énergie sombre fait largement partie du domaine de la spéculation. Certains estiment que l'énergie sombre serait l'énergie du vide (Le vide est ordinairement défini comme l'absence de matière dans une zone spatiale.), représentée par la constante cosmologique de la relativité générale (La relativité générale, fondée sur le principe de covariance générale qui étend le principe de relativité aux...). C'est l'explication la plus simple et poser une constante cosmologique signifie que la densité de l'énergie sombre est uniforme, et constante dans tout (Le tout compris comme ensemble de ce qui existe est souvent interprété comme le monde ou l'univers.) l'univers, invariable en fonction du temps. C'est la forme introduite par Einstein, et cette forme est cohérente avec nos observations actuelles de l'univers. Si l'énergie sombre prend cette forme, cela signifie qu'il s'agit d'une propriété fondamentale (En musique, le mot fondamentale peut renvoyer à plusieurs sens.) de l'univers.

D'autres hypothèses ont été avancées. Ainsi, l'énergie sombre pourrait être induite par l'existence de particules inconnues. Ces modèles sont appelés quintessence. Certaines théories proposent que ces particules ont été créées en quantité (La quantité est un terme générique de la métrologie (compte, montant) ; un scalaire, vecteur, nombre d’objets ou d’une autre...) suffisante lors du big bang pour remplir tout l'espace. Néanmoins, si cela était le cas, on s'attendrait à ce qu'elles se regroupent et on observerait des variations de densité en fonction du temps. Aucune preuve n'en a été observée, mais la précision des observations ne permet pas d'exclure cette hypothèse.

L'inflation

On peut remarquer qu'une forme ou l'autre de l'énergie sombre est l'explication la plus plausible de l'inflation cosmique qui eut lieu peu après le big bang. Cette inflation est un mécanisme essentiel des théories cosmologiques actuelles expliquant tout à la fois la formation des structures (La formation des structures est le processus primordial de genèse des structures observables dans le ciel actuel à partir d'un état dense, chaud et surtout quasiment uniforme....) et l'isotropie (L'isotropie caractérise l’invariance des propriétés physiques d’un milieu en fonction de la direction. Le contraire de l’isotropie est l’anisotropie.) de l'univers à grande échelle. Il n'est pas établi si l'énergie sombre actuelle est reliée à l'énergie sombre qui aurait provoqué l'inflation.

Implications sur le destin de l'Univers

Si l'énergie sombre continue de dominer la balance énergétique de l'univers, l'expansion observée de l'espace va continuer à accélérer jusqu'à devenir finalement exponentielle (La fonction exponentielle est l'une des applications les plus importantes en analyse, ou plus généralement en mathématiques et dans ses domaines d'applications. Il existe plusieurs définitions équivalentes : un...). Les structures qui ne sont pas déjà reliées gravitationnellement vont se briser et ses parties vont s'éloigner les unes des autres à des vitesses apparentes supérieures à celle de la lumière (La lumière est l'ensemble des ondes électromagnétiques visibles par l'œil humain, c'est-à-dire comprises dans des longueurs d'onde de 380nm...). L'accélération nous empêchera finalement d'observer des portions importantes de l'univers qui sont aujourd'hui visibles. Néanmoins, il convient de remarquer que si la densité de l'énergie sombre n'augmente pas, alors les structures reliées gravitationnellement, telles les galaxies (Galaxies est une revue française trimestrielle consacrée à la science-fiction. Avec ce titre elle a connu deux existences, prenant par ailleurs la suite de deux autres Galaxie, cette fois au...) ou les systèmes planétaires, le resteront. Ainsi le système solaire (Le système solaire est un système planétaire composé d'une étoile, le Soleil et des corps célestes ou objets définis gravitant autour de lui (autrement dit, notre système planétaire) : les...) ou la Voie lactée (La Voie lactée (appelée aussi « notre galaxie », ou parfois simplement « la Galaxie », avec une majuscule) est...) resteraient essentiellement identiques à ce qu'ils sont aujourd'hui, alors que le reste de l'univers nous semblera s'enfuir loin de nous.

Par contre, l'énergie sombre pourrait ne pas être constante mais augmenter avec le temps. Dans un tel scénario, appelé le Big Rip (Le Big Rip (Grande déchirure en anglais) est un modèle cosmologique proposant un scénario inhabituel de la fin de l'univers. Il prédit que la densité de celui-ci se mettra à...), toute la matière de l'univers, même les atomes (Un atome (du grec ατομος, atomos, « que l'on ne peut diviser ») est la plus petite partie d'un corps simple pouvant se combiner chimiquement avec une autre. Il est généralement...), pourraient finalement être désintégrés, laissant un univers vide et sans aucune structure.

Finalement, l'énergie sombre pourrait se dissiper avec le temps, ou même s'inverser. Les incertitudes sur les observations laissent la porte ouverte sur le fait que la gravité puisse un jour (Le jour ou la journée est l'intervalle qui sépare le lever du coucher du Soleil ; c'est la période entre deux nuits, pendant laquelle les rayons du Soleil éclairent le ciel. Son...) dominer un univers qui se contracte sur lui-même et disparaisse dans un Big Crunch (En cosmologie, le Big Crunch est une des fins possibles à notre Univers. Analogiquement au principe du Big bang, certains scientifiques lancent la théorie du Big Crunch, c'est-à-dire l'effondrement de l'univers. Ce serait un...). Ce scénario est néanmoins considéré comme le moins probable.

En mai 2004, la publication de travaux réalisés avec le satellite (Satellite peut faire référence à :) Chandra (Le satellite Chandra est un télescope à rayons X. Il a été lancé en 1999 par la navette spatiale Columbia lors de la mission STS-93.) et consistant à mesurer les distances de 26 amas de galaxies (Un amas de galaxies est l'association de plus d'une centaine de galaxies liées entre elles par la gravitation. En deçà de 100, on parle plutôt de groupe de galaxies, même si la frontière entre groupe et amas n'est pas clairement définie.) lointains semblent confirmer que l'expansion a commencé à accélérer il y a 6 milliards d'années, et que l'énergie sombre semble rester constante, ou alors varie très lentement. Cela est compatible avec l'existence d'une constante cosmologique et rend des scénarios tels le Big Crunch ou le Big Rip improbables.

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