Matière et énergie noires
  L’énergie noire accélère l’expansion

En 1998, l’annonce avait fait sensation. Elle se confirme : depuis quatre à cinq milliards d’années, l’expansion de l’Univers s’accélère! Ce serait le signe de l’influence d’une mystérieuse énergie noire du vide. Mythe ou réalité ? Cinquième force, anti-gravité ? Un paradoxe cependant, son intensité serait à la fois minuscule et colossale. Il s’en faut d’un facteur 10120… Une équipe française traque l’expansion avec les explosions de supernovae, aux télescopes d’Hawaï et du Chili. Elle rêve d’un observatoire spatial dédié pour 2012.

1998, une annonce choc
«Une nouvelle science est née. Jusque-là, on savait que l’espace-temps se dilate. Mais en 1998, le séisme est arrivé», raconte Pierre Astier du Laboratoire de physique nucléaire et des hautes énergies (LPNHE) de Paris. «Les idées en ont été chamboulées. L’expansion de l’Univers s'accélère sous l’influence d’une mystérieuse énergie noire. Celle-ci compte pour environ 70% du cosmos. Et on ignore sa composition.» S’agit-il de la fameuse constante cosmologique qu’Albert Einstein avait introduite en 1917 dans ses équations de la relativité (puis il l’avait regretté…) ? Faut-il y voir la signature de ce que les physiciens baptisent "énergie du vide" ? Faute de mieux. Celle-ci reflète l’incroyable effervescence quantique du cosmos à petite échelle. Elle a été calculée. Le problème est que l’on aboutit ainsi à un chiffre… 10120 fois plus élevé que ce que les astronomes constatent ! C’est le plus grand désaccord auquel la connaissance humaine aura jamais été confrontée. En outre, le changement de perspective s’avère renversant. Auparavant, l’Univers se dilatait sous l’impulsion d’une explosion initiale. Dès lors, le travail des chercheurs se résumait à recenser le contenu du cosmos afin de le «peser» et de déterminer si l’expansion pourra s’infléchir, puis s’arrêter, sous l’influence de la gravité. Les scénarios en vogue privilégiaient une expansion infinie ou une re-contraction en «big crunch».

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Surprise : l’expansion cosmique accélère
Mais le cours de l’histoire a été perturbé. En 1998, deux équipes indépendantes ont fait leur entrée. La première, le Supernova Cosmology Project, est conduite par Saul Perlmutter de l’université de Californie, à Berkeley, avec la participation du Français Reynald Pain. La seconde, High-z Supernova Search Team, basée au Centre astrophysique d’Harvard à Cambridge Massachusetts, est dirigée par Brian Schmidt de Siding Spring, en Australie. Au cœur de leurs observations : une cinquantaine d’explosions d’étoiles lointaines assimilées à des supernovae de type Ia, c’est-à-dire des déflagrations nucléaires naturelles. Ces phénomènes rares et bien connus sont utilisés comme des «chandelles standards» ou des «bougies de référence» afin de déterminer leur distance. Surprise : ils apparaissent moins brillants que prévu. Les énormes flashs enregistrés pendant des semaines correspondent, pourtant, à des morts d’étoiles bien calibrées… Dès lors, une conclusion s’impose. L’apparente faiblesse de leur éclat s’explique par l’éloignement de l’astre. La galaxie-hôte se trouve à une distance plus importante qu’on ne pense. Les équipes en concurrence concluent que, dans le passé, l’expansion du cosmos se produisait à un rythme plus lent qu’aujourd’hui. Or jusqu’alors il était admis que l’expansion ralentit plutôt sous l’influence de la force d’attraction entre les masses. Le fait est difficile à admettre. Mais il faut s’y résoudre : le mouvement ne s’essouffle pas. Non. Une mystérieuse énergie noire donne un coup de fouet à l’expansion.

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Plusieurs confirmations
Cette découverte ébranle-t-elle le big bang ? "Pas le moins du monde", rassure Pierre Astier. "Elle ravive l’intérêt et ajoute du piment. Des instruments variés scrutent le cosmos. Les télescopes optiques l’ont sondé jusqu’à la moitié de son âge actuel. Les relevés en trois dimensions ont appuyé le modèle d’émergences des galaxies. L’une des plus belles confirmations de l’accélération de l’expansion est venue du fond diffus de rayonnement émis 400 000 ans après le big bang. Un autre soutien ferme dérive des fins effets de mirages gravitationnels prévus par la relativité et cartographiés depuis l’an 2000."
Bref, les déclarations quant à la nouvelle vigueur de l’expansion n’ont jamais été démenties. Bien au contraire. "Les derniers résultats en date indiquent que ce régime prévaut depuis environ quatre à cinq milliards d’années, soit 35% de l’histoire de l’Univers," précise Pierre Astier qui a rejoint en 1999 le groupe fondé par Reynald Pain. Les observations initiales du Supernova Cosmology Project avaient été effectuées avec le télescope de 4 mètres de l’observatoire du Cerro Tololo, au Chili. Depuis, les Français se sont lancés dans l’aventure - avec leur joyau optique le télescope franco-canadien de 3,6 mètres à Hawaï. Très vite, cette collaboration s’est imposée comme un contributeur de premier plan à la traque mondiale de l’énergie noire. Les supernovae photographiées, la confirmation est effectuée avec les télescopes Gemini de 8 mètres, à Hawaï ou au Chili, ou bien au Very Large Telescope européen du Chili qui comporte quatre miroirs de 8 mètres.

Les Français dans la course
"Notre démarche s’intéresse à un type particulier de supernovae", reprend le physicien. "Leur courbe de lumière est connue. La mesure contient des informations sur la vitesse. Et les supernovae Ia nous renseignent sur le temps que met leur lumière à nous parvenir."
La chasse aux supernovae lointaines est devenue un programme clef du Canada-France-Hawaï Telescope. Les chercheurs bénéficient de cinq observations par mois et ils privilégient quatre champs célestes. Depuis août 2003, une nouvelle caméra CCD – Megacam, dotée de 340 millions de points image – exacerbe la performance. Elle couvre une zone d’un degré-carré, "quatre pleines lunes" sur le ciel. C’est la pêche miraculeuse. Les observations rapportent à tous coups 5 à 10 supernovae. L’effort a été baptisé Supernova Legacy Survey "legs à la postérité" par allusion au télescope qui a fêté ses 25 ans le 28 septembre 2004 au sommet de sa montagne de 4 200 mètres d’altitude. L’ambition ? "Débusquer les supernovae par centaines", assène Pierre Astier. Ceci est incontournable si l’on veut estimer comment l’accélération de l’expansion a évolué par le passé. "L’Univers s’étendra-t-il de manière incontrôlée jusqu’à la fin des temps ? Pour le savoir, la seule solution est de mieux cerner cet emballement qui défie l’entendement."

La traque des supernovae et de l’énergie noire
Correspond-il à la constante cosmologique qu’Einstein avait invoquée puis amèrement reniée, lorsque l’expansion s’était imposée au siècle dernier ? Certes. Mais il convient de vérifier que la force répulsive est bien une entité constante dans le temps. D’ailleurs, on ne comprend pas pourquoi elle diffère tant de l’énergie du vide des physiciens. Certes, il reste ce fossé colossal entre leurs valeurs. Mais les théoriciens inventent déjà de bons arguments pour ramener le désaccord de 10120 à 1060… D’autre part, si l’énergie noire adopte un comportement dynamique (c’est-à-dire qu’elle évolue), elle pourrait correspondre à tout un zoo d’objets exotiques : la quintessence ou «cinquième essence» est proposée, comme un clin d’œil à Aristote, par l’Américain Paul Steinhardt et Pierre Binetruy du collège de France pour compléter les quatre forces fondamentales ; les "défauts topologiques" - textures, cordes ou parois de domaines – seraient les vestiges de changements d’état et de transitions de phases violentes qui auraient affecté la trame de l’Univers.

On l’aura compris, le destin du cosmos est en jeu. Il devient urgent de lever les ambiguïtés résiduelles. Avec les projets en cours, l’équipe française envisage de détecter 120 nouvelles supernovae par an, pendant cinq ans. Soit un total de 600. Déjà, la première année de moisson avec la super-caméra a livré 110 étoiles défuntes. Et on envisage de sonder la moitié de l’histoire de l’Univers… En parallèle, le télescope spatial Hubble a débusqué 16 supernovae en 2003, sur l’initiative d’Adam Riess de l’Institut du télescope spatial, à Baltimore, Maryland. L’ère de la cosmologie spatiale ouvre la voie d’avenir.

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