Comment finira l’Univers ? Une nouvelle fenêtre vient de s’ouvrir sur son expansion et le mystère de l’énergie noire

L'une des questions les plus brûlantes de la cosmologie est celle du destin de l'Univers observable. On sait depuis les années 1930 grâce à Edwin Hubble que le cosmos est en expansion. Déjà à ce moment-là, c'est Georges Lemaître qui comprend vraiment, théoriquement, de quoi il retourne en utilisant la théorie de la relativité générale d'Einstein. Il développera ensuite à ce sujet les grandes lignes de ce que nous appelons la théorie du Big Bang, qui sera complétée par les travaux de George Gamow et ses collaborateurs à la fin des années 1940.

Cette théorie prévoit que l'expansion de l'Univers doit ralentir après le Big Bang. Or, à la fin des années 1990, deux équipes d'astronomes montrent qu'elle accélère en fait depuis environ 5 milliards d'années.

Décès de Ralph Alpher, l'un des pères de la théorie du Big Bang

Sale temps pour le monde de la physique cette année. Après Pierre-Gilles de Gennes et Julius Wess c’est Ralph Alpher qui vient de nous quitter à l’âge de 86 ans. L’ancien thésard de Gamow n’a malheureusement pas eu la reconnaissance qu’il méritait bien qu’il ait été le premier à prédire les abondances de l’hydrogène et de l’hélium dans l’Univers, et surtout, l’existence du rayonnement fossille découvert par Penzias et Wilson par accident en 1965.... Lire la suite

Pour décrire cette expansion accélérée, il faut réintroduire dans les équations de la cosmologie la fameuse constante d'Einstein, constante que l'on peut interpréter comme signalant la présence d'une densité d'énergie d'origine et de nature inconnues, que l'on a appelée « l'énergie noire ».

Présentation par Françoise Combes de son cours 2016-2017 : « Énergie noire et modèles d'univers ». La cosmologiste et astrophysicienne explique la problématique de l'énergie noire, ses solutions possibles et les programmes d'observations prévus pour résoudre l'énigme de sa nature. © Collège de France

On a ensuite proposé plusieurs théories au sujet de cette composante exotique de l'Univers, qui doit représenter environ 70 % de la masse présente dans un volume d'espace dont la taille est de l'ordre de quelques centaines de millions d'années-lumière au moins.

Sommes-nous à la veille d'une révolution cosmologique en 2025 avec une énergie noire variable ?

En 2021, une campagne d'observation automatisée, utilisant un instrument baptisé Desi, a commencé à dresser la carte en 3D la plus complète jamais réalisée des galaxies du cosmos observable. Les trois premières années de données collectées, couvrant près de 15 millions de galaxies et de quasars, ont été combinées avec des informations issues d'études sur le fond diffus cosmologique, les supernovae et des effets de lentille gravitationnelle faibles. Surprise, ces données sont de plus en plus favorables aux modèles d'énergie noire accélérant l'expansion de l'espace où cette énergie n'est pas décrite par la constante cosmologique d'Einstein et peut donc évoluer dans le temps, peut-être au point de causer un jour un Big Crunch ou un Big Rip.... Lire la suite

Ces théories impliquent parfois que cette énergie noire est variable dans le temps, de sorte qu'au lieu d'avoir une expansion éternelle diluant la matière et la lumière fossile dans un cosmos qui devient de plus en plus froid, l'expansion pourrait finir par ralentir et se renverser au point de re-contracter l'Univers en prélude à un nouveau Big Bang.

Un radiotélescope pour cartographier l'Univers

Depuis plusieurs décennies, les physiciens et les cosmologistes tentent de faire la lumière sur la nature exacte de cette énergie noire, en espérant qu'ils pourront en déduire le destin du cosmos.

Parmi les instruments dont ils se sont dotés dans ce but, il y a un radiotélescope nommé Canadian Hydrogen Intensity Mapping Experiment (Chime).

Il est opérationnel depuis 2018 et installé près de Penticton, en Colombie-Britannique, sur un site du Conseil national de recherches du Canada (CNRC). Il cartographie chaque jour l'ensemble du ciel de l'hémisphère Nord.

Il y a plusieurs programmes de recherche qu'il rend possible en effectuant des observations dans un domaine radio donné. On a ainsi souvent parlé de ses observations concernant les énigmatiques sursauts radio rapides (Fast Radio Bursts, ou FRB en anglais). Il étudie également les pulsars.

Mais, comme son nom l'indique, il étudie principalement la répartition dans l'Univers de l'hydrogène et son évolution dans le temps et grâce notamment à la fameuse raie à 21 cm déjà utilisée jadis pour cartographier la Voie lactée et révéler sa structure. Sauf qu'ici, il s'agit d'étudier des structures gigantesques à l'échelle des distributions de galaxies en ce qui concerne la répartition de cet hydrogène. En particulier, et c'est important pour tenter de résoudre l'énigme de l'énergie noire, Chime permet de cette façon l'étude des oscillations acoustiques de baryons (Baryon Acoustic Oscillations, BAO).

Le télescope Chime a été conçu pour en apprendre davantage sur l'énergie noire en mesurant l'histoire de l'expansion de l'Univers. Pour obtenir une traduction en français assez fidèle, cliquez sur le rectangle blanc en bas à droite. Les sous-titres en anglais devraient alors apparaître. Cliquez ensuite sur l'écrou à droite du rectangle, puis sur « Sous-titres » et enfin sur « Traduire automatiquement ». Choisissez « Français ». © UBC Media Relations

Des distributions de matière qui évoluent avec l'énergie noire

Un communiqué de l'Université de la Colombie-Britannique, qui accompagne un article publié dans The Astrophysical Journal, vient justement de faire savoir que le programme d'étude de l'énergie noire avec Chime venait de franchir une étape importante.

En analysant des données collectées à partir de 94 nuits d'observation en 2019 et qui concernaient une époque où l'Univers avait environ 5 milliards d'années et où 2 % de l'hydrogène était alors sous forme atomique neutre, les astrophysiciens ont réussi, pour la première fois, avec Chime à détecter directement - sans recourir aux relevés de galaxies externes déjà étudiés pour les BAO - la très faible émission radio de l'hydrogène neutre provenant de l'Univers lointain.

La raie à 21 cm : une clé pour l'astrophysique, la cosmologie et Seti

La raie à 21 cm est une raie spectrale émise par l’atome d’hydrogène neutre dans le domaine radio. Elle est devenue célèbre par son utilisation par le programme Seti. Très importante aussi en astrophysique, elle va le devenir pour la cosmologie. Petit rappel de cette clé de l'univers.... Lire la suite

La méthode utilisée, appelée cartographie d'intensité de la raie à 21 cm de l'hydrogène, permet de ne pas détecter individuellement chaque galaxie, mais de mesurer l'émission cumulée de vastes volumes de l'Univers. Elle permet ainsi de reconstituer la distribution de la matière à très grande échelle et d'étudier l'évolution de l'expansion cosmique sous l'action d'un type d'énergie noire donné. Type qui va affecter d'une façon caractéristique l'évolution des grandes distributions d'hydrogène neutre.

Les cosmologistes n'en sont encore qu'au début de leurs travaux sur l'énergie noire avec Chime. Depuis 2019, la prise de données a continué et déjà avec sept ans d'observations accumulées, les chercheurs pensent qu'ils pourront étudier les effets de l'énergie noire jusqu'à une époque où l'Univers n'avait que 3 milliards d'années, ce qui devrait fournir de nouvelles contraintes sur la nature de l'énergie noire.