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Que représente
cette image ?
Posté par Michel le Mardi 12/08/2008 à 00:00
La preuve la plus directe de l’existence de l’énergie sombre ?
Elle constitue près des trois quarts de la quantité de matière et d’énergie de l'univers et est responsable de l'accélération cosmique, mais en réalité c’est là tout ce que nous connaissons de l'énergie sombre. Aussi comment réagir à l’annonce de la « preuve la plus directe » de son existence ? Le magazine en ligne Physicsworld tente de répondre.

Qui est à l’origine de cette annonce ?

Un groupe d'astrophysiciens conduit par István Szapudi de l'université d'Hawaï. Les chercheurs ont analysé la lueur des photons 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 d'onde...) émanant de l'espace afin d’analyser le comportement de la taille des super 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...) au fil du temps (Le temps est un concept développé par l'être humain pour appréhender le changement dans le monde.). Si notre univers (L'Univers est l'ensemble de tout ce qui existe et les lois qui le régissent.) est plat — et certaines 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...) suggèrent que c’est effectivement le cas — la théorie de la gravitation (La gravitation est une des quatre interactions fondamentales de la physique.) d’Einstein prévoie que la taille des super amas devrait rester la même. Cependant, les chercheurs d'Hawaï ont constaté que ceux-ci s’étendent, ce qui est la « marque de fabrique » d’une énergie sombre répulsive.

Comment analyser ces photons ?

Les photons micro-onde en question, connus sous le nom de fond cosmique micro-onde (CMB), imprègnent le cosmos tout (Le tout compris comme ensemble de ce qui existe est souvent interprété comme le monde ou l'univers.) entier depuis le premier « découplage » entre la matière et le rayonnement (Le rayonnement, synonyme de radiation en physique, désigne le processus d'émission ou de transmission d'énergie impliquant une particule porteuse.) qui s’est produit environ 380 000 années après le 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 l’ensemble des modèles cosmologiques qui la décrivent, sans...). En fait, la lueur CMB est si régulière que les astrophysiciens peuvent l’utiliser pour analyser la dynamique (Le mot dynamique est souvent employé désigner ou qualifier ce qui est relatif au mouvement. Il peut être employé comme :) des grandes structures telles que les amas ou les super amas de 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...). A partir des données d'un catalogue de galaxies appelé Sloan Digital Sky Survey, l'équipe de Szapudi a superposé l'emplacement des super amas sur une carte du CMB. Les scientifiques ont alors pu comparer l’allure des zones de la carte CMB correspondant à des régions remplies de super amas avec celles correspondant à des régions d’espace vide (Le vide est ordinairement défini comme l'absence de matière dans une zone spatiale.), encore appelés « super vides ».


Cette image montre le fond cosmique micro-onde (CMB) en indiquant de plus
les positions des « super vides » (cercles bleus) et des super « amas » (cercles rouges).
En comparant la température des photons CMB issus de ces régions,
l'équipe de Szapudi a pu mesurer l’extension des super amas,
phénomène connu sous le nom d'effet « intégré de Sachs-Wolfe » (ISW effect),
conséquence de l’existence de l'énergie sombre.

Comment cette comparaison prouve-t-elle l’expansion des super amas ?

On sait que l’on gagne de l'énergie potentielle gravitationnelle lorque l’on gravit par exemple une côte ; de façon analogue, un photon (En physique des particules, le photon est la particule élémentaire médiatrice de l'interaction électromagnétique. Autrement dit, lorsque deux particules chargées électriquement...) acquiert de l’énergie quand il se trouve confronté au saut énorme de gravité que représente un super amas. Mais on pourrait penser que le photon (En physique des particules, le photon est la particule élémentaire médiatrice de l'interaction électromagnétique. Autrement dit, lorsque deux particules chargées électriquement...) perde cette même énergie quand il s’échappe de l'autre côté de l’amas. Cependant, si le super amas est en expansion pendant que le photon le traverse (Une traverse est un élément fondamental de la voie ferrée. C'est une pièce posée en travers de la voie, sous les rails, pour en maintenir l'écartement et l'inclinaison, et...), ce dernier percevra une modification moindre de gravité quand il partira que lorsqu’il est entré. En d'autres termes, le photon gardera un témoignage de cette énergie supplémentaire. Szapudi et ses collègues ont recherché ces photons légèrement plus énergétiques en analysant la température. La différence n’est pas bien grande, environ un millionième de kelvin (Le kelvin (symbole K, du nom de Lord Kelvin) est l'unité SI de température thermodynamique. Par convention, les noms d'unité sont des noms communs et s'écrivent en minuscule (« kelvin » et...).

Cette équipe est-elle la première à observer cette énergie supplémentaire ?

Non. Le phénomène s'appelle l''effet « intégré de Sachs-Wolfe » (ISW), et l'idée de l’utiliser pour analyser la dynamique des super amas a été proposée la première fois par les cosmologistes Rob Crittenden et Neil Turok alors à l'université de Princeton en 1995. Depuis lors, une poignée d'astrophysiciens ont relevé le défi, comme les équipes conduites par Bob Nichol et Crittenden de l’'université de Portsmouth au R-U, par Enrique Gaztanaga de l'institut (Un institut est une organisation permanente créée dans un certain but. C'est habituellement une institution de recherche. Par exemple, le Perimeter Institute for Theoretical Physics est un tel institut.) des sciences de l'espace en Espagne ou par Nikhil Padmanabhan du laboratoire Lawrence Berkeley aux USA. Ces dernières années ces équipes ont détecté l'effet ISW avec une certitude allant en s’accroissant.

L'équipe de Szapudi est-elle alors beaucoup plus sûre de son résultat?

Ce n’est en fait pas tant de degré de confiance qui est primordial — l’équipe annonce une détection de l'effet d'ISW avec une certitude de 99,9995%, qui est du même ordre que d'autres indice de confiance enregistrés cette année. L'aspect important du travail des chercheurs hawaïens est qu'ils ont concentré leur attention sur un seul échantillon des plus vastes super amas et des plus vastes super vides. Le résultat est un signal ( Termes généraux Un signal est un message simplifié et généralement codé. Il existe sous forme d'objets ayant des formes particulières. Les signaux lumineux...) plus propre, moins bruité, plus digne de confiance. Selon Szapudi: « …Nous étions enthousiastes. C'est un effet infime et très subtil, et c'était la première fois que nous pouvions réellement le voir, ce qui est très différent que de le détecter à partir de statistiques (La statistique est à la fois une science formelle, une méthode et une technique. Elle comprend la collecte, l'analyse, l'interprétation de données ainsi que la présentation de ces...) beaucoup plus abstraites.

Pourquoi est-ce la preuve la plus directe de l’existence de l'énergie sombre ?

Il existe de nombreuses manières de conclure à l’existence de l'énergie sombre, mais presque toutes se fondent sur des effets à grande échelle et, de manière plus ou moins discutable, sur des hypothèses non vérifiées. Par exemple, l'accélération cosmique (et par conséquent l'énergie sombre) ont été initialement découvertes en 1998 en observant la récession de la lumière de supernovae lointaines, alors que le mécanisme précis qui ce cache derrière l’explosion (Une explosion est la transformation rapide d'une matière en une autre matière ayant un volume plus grand, généralement sous forme de gaz. Plus cette transformation s'effectue...) d’une supernova (Une supernova est l'ensemble des phénomènes conséquents à l'explosion d'une étoile, qui s'accompagne d'une augmentation brève mais fantastiquement grande de...) est lui-même encore inconnu. Naturellement, désormais, l’interprétation par l’énergie sombre de ces observations de supernovae ne laisse pratiquement plus de place au doute, mais ceci parce que cette interprétation a été corroborée à maintes reprises en utilisant d'autres techniques. Les observations de l'effet ISW font également partie de ces confirmations, mais sont « directes » dans le sens (SENS (Strategies for Engineered Negligible Senescence) est un projet scientifique qui a pour but l'extension radicale de l'espérance de vie...) qu'elles se rattachent à l’expansion de différentes structures.


La température des super amas (à droite) est plus élevée que celle des super vides (à gauche).
Pour Szapudi et ses collègues les super amas sont en expansion à cause de l’énergie sombre.

Quelles sont les réactions aux résultats de ces travaux ?

Nichol, du groupe de Portsmouth pense que l'équipe hawaïenne a certainement présenté l’analyse de l'effet ISW la plus complète jusqu'ici. Nichol décrit également 2008 comme l’année de la « maturité » pour l'effet ISW parce que les groupes y travaillant conviennent désormais de la force (Le mot force peut désigner un pouvoir mécanique sur les choses, et aussi, métaphoriquement, un pouvoir de la volonté ou encore une vertu morale...) et de la fiabilité des données.

Quel futur pour l'effet ISW ?

Jusqu'à ce que des enquêtes (surveys) de galaxies plus précises sortent, ce qui interviendra probablement au cours de la prochaine décennie, tout ce qui a pu être fait et dépoussiéré du point (Graphie) de vue (La vue est le sens qui permet d'observer et d'analyser l'environnement par la réception et l'interprétation des rayonnements lumineux.) de l’astrophysicien a déjà été effectué. Les théoriciens, cependant, peuvent trouver un intérêt sans fin à examiner les analyses de Szapudi et d'autres pour mieux comprendre la nature de l'énergie sombre. Un consensus semble s’orienter en faveur d'une « constante cosmologique (La constante cosmologique est un paramètre rajouté par Einstein en février 1917 à ses équations de la relativité générale (1915), dans le...) » se manifestant comme une énergie du vide, bien qu'il y ait plusieurs autres options. L’une d’elle est que la théorie de la relativité générale n'est pas à 100% complète et nécessite d’être « arrangée » pour expliquer l'accélération cosmique. L'effet ISW est particulièrement adapté pour tester de telles « théories de la gravitation modifiée » parce qu'il concerne particulièrement la force apparente de la gravitation à grande échelle.

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Source: PhysicsWorld
Illustrations: István Szapudi et al.
 
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