Théorie: l'énergie sombre dissimulée dans des dimensions cachées ?

La mystérieuse énergie sombre, qui accélère l'expansion de l'univers, pourrait se dissimuler dans des dimensions cachées de l'espace. L'idée permettrait d'expliquer comment ces dimensions restent stables, ce qui est une question importante de la théorie des cordes.

Les astronomes ont découvert au milieu des années 90 que les autres galaxies s'éloignent de nous en accélérant. Depuis, les physiciens tentent d'expliquer pourquoi. Leur hypothèse favorite (appelée l'énergie du vide ou la constante cosmologique) repose sur des vibrations quantiques du vide spatial qui produiraient une force de gravitation répulsive.

Selon les calculs, cependant, ces vibrations devraient soit posséder une densité d'énergie ridiculement élevée (de 122 ordres de grandeur plus importante que ce qui est observé), soit valoir exactement zéro. S'approcher d'une valeur nulle, sans toutefois l'atteindre, et rester conforme aux observations astronomiques, demanderait de remettre en cause les équations quantiques des champs.

A moins que... ces vibrations quantiques ne soient emprisonnées dans un espace minuscule. Brian Greene et Janna Levin de l'université Colombia de New York, pensent que, dans un espace confiné, les fréquences de résonance naturelles persisteraient, empêchant ainsi les vibrations de s'annuler complètement. C'est un peu comme les notes résonnantes produites par un instrument de musique, sauf qu'en lieu et place d'ondes sonores, les vibrations seraient des champs de force quantiques fluctuants, et que l'instrument serait un ensemble de dimensions perpendiculaires à nos trois dimensions familières.

Même si la vibration est piégée dans ces autres dimensions, elle peut étendre son influence gravitationnelle dans notre espace. Et la force de gravitation est répulsive également dans celui-ci, comme la constante cosmologique "normale", provoquant ainsi l'accélération cosmique constatée. Pour obtenir l'accélération observée par les astronomes, Greene et Levin prévoient que les dimensions supplémentaires devraient être de l'ordre de 0,01 millimètre. L'énergie sombre se cacherait à quelques microns de nous.
Jusqu'ici, les deux physiciens n'ont fait qu'ébaucher leur théorie, mais ils peuvent déjà l'utiliser pour résoudre un autre problème, plus ardu. La théorie des cordes, théorie prometteuse en ce qui concerne l'unification des quatre forces de l'univers, exige sept dimensions supplémentaires minuscules, enroulées sur elles-mêmes. Malheureusement, celles-ci s'avèrent être instables, prêtes à "exploser".

Avec la nouvelle théorie, ces dimensions supplémentaires pourraient avoir un comportement forcé. Le juste équilibre des champs de force quantiques agirait comme un ressort tendu dans les dimensions supplémentaires, les maintenant à une certaine taille.

Mais, si les dimensions ont effectivement une taille de 10 microns, pourquoi ne pouvons-nous pas les percevoir ? Actuellement la théorie de Greene et de Levin ne fonctionne que dans une cosmologie "de branes", qui décrit notre univers à trois dimensions comme une sorte de membrane flottant dans un espace de dimension supérieure. La plupart des particules et des champs sont fermement liés à cette brane, ce qui explique pourquoi nous ne pouvons pas percevoir les dimensions supplémentaires ni faire un petit pas dans leur direction.

Dans la version de base du "braneworld", la seule force qui soit susceptible de passer au travers de cette brane est la gravitation. Mais les vibrations associées au champ gravitationnel ne posséderaient pas les propriétés requises pour la théorie de Greene et de Levin. Les deux théoriciens ont dû ajouter un champ supplémentaire ad hoc et fixer son intensité pour obtenir une valeur répulsive adéquate. "Nous n'avons fabriqué qu'un 'modèle réduit' avec des champs présumés," admet Levin.

Une raison de rester optimiste, cependant, est que ce champ possède presque exactement la même intensité que le champ lié aux neutrinos. Le champ de Greene et de Levin ne peut pas provenir des neutrinos normaux, parce que, tout comme les autres particules, ceux-ci sont intimement liés à notre brane. Les scientifiques proposent l'existence d'un "neutrino stérile" dans les dimensions supplémentaires, dont la présence serait ressentie dans notre espace sous la forme de cette fameuse énergie sombre.

Des tests possibles

La théorie de Greene et de Levin implique que la gravitation devienne plus intense à faible distance, de l'ordre de la taille des dimensions supplémentaires. Eric Adelberger et son équipe de l'université de Washington à Seattle, ont effectué une série d'expériences à l'aide d'un pendule de torsion pour mesurer la force gravitationnelle à courte distance, et ont déjà éliminé des dimensions supplémentaires plus grandes que 0,1 millimètre. Ils projettent une nouvelle expérience pour sonder des distances encore plus petites.

S'il s'avérait que le pendule d'Adelberger permette d'observer un accroissement de la gravitation en dessous de 0,01 millimètre, cela pourrait indiquer que Greene et Levin sont sur la bonne voie, et que la force qui provoque l'expansion de notre univers est effectivement un "envahisseur" venu d'une autre dimension.