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Posté par Michel le Lundi 26/03/2007 à 00:00
Une description unifiée de l'énergie sombre et de la matière noire ?
La cosmologie, en se basant sur plusieurs faits expérimentaux, a établi que la matière ordinaire, constituée de protons et de neutrons, constitue seulement 4% du contenu total en énergie de l'Univers. Les quelques 96% restant nous sont invisibles et encore méconnus et se répartissent entre la fameuse matière noire (En astrophysique, la matière noire (ou matière sombre) désigne la matière apparemment indétectable, invoquée pour rendre compte d'effets inattendus, notamment au sujet des galaxies. Différentes hypothèses ont été émises...) et la tout (Le tout compris comme ensemble de ce qui existe est souvent interprété comme le monde ou l'univers.) aussi énigmatique 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 gravitationnelle répulsive. L'énergie...). Des chercheurs du Laboratoire Univers (L'Univers est l'ensemble de tout ce qui existe et les lois qui le régissent.) et Théories (LUTh) de l'Observatoire de Paris (L'Observatoire de Paris est né du projet, en 1667, de créer un observatoire astronomique équipé de bons instruments permettant d'établir des cartes pour la navigation. Il vient en complément de...), et du Fonds belge de la Recherche Scientifique (La recherche scientifique désigne en premier lieu l’ensemble des actions entreprises en vue de produire et de développer les connaissances...) ont proposé récemment l'hypothèse de pesanteur (Le champ de pesanteur (ou plus couramment pesanteur) est un champ attractif auquel sont soumis tous les corps matériels au voisinage de la Terre : on observe ainsi qu'en un lieu...) anormale ("Abnormally Weighting Energy" ou AWE) qui permet de décrire tout le côté obscur de l'Univers par une physique (La physique (du grec φυσις, la nature) est étymologiquement la « science de la nature ». Dans un sens général et ancien, la physique...) gravitationnelle révolutionnaire.


Figure 1: Diagramme de 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...) des supernovae lointaines et prédictions théoriques
pour le modèle de concordance (?m=0.3, ??=0.7; pointillés)
et le modèle de 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,...) noire anormalement pesante (trait plein).
Les deux modèles rendent compte du diagramme de Hubble des supernovae lointaines
avec une précision remarquable.
(En bleu (Bleu (de l'ancien haut-allemand « blao » = brillant) est une des trois couleurs primaires. Sa longueur d'onde est comprise approximativement entre 446 et 520 nm. Elle varie en luminosité du cyan à une teinte plus...), les données de la collaboration SNLS et en rouge (La couleur rouge répond à différentes définitions, selon le système chromatique dont on fait usage.) les données du HST)

Au cours de la dernière décennie (Une décennie est égale à dix ans. Le terme dérive des mots latins de decem « dix » et annus « année.), la cosmologie (La cosmologie est la branche de l'astrophysique qui étudie l'Univers en tant que système physique.) est entrée dans une ère de grande précision, et constitue désormais un champ (Un champ correspond à une notion d'espace défini:) d'expérimentation (L'expérimentation est une méthode scientifique qui consiste à tester par des expériences répétées la validité d'une hypothèse et à obtenir des données quantitatives permettant de l'affiner....) précieux et unique pour tester les théories de la physique fondamentale (En musique, le mot fondamentale peut renvoyer à plusieurs sens.), depuis la théorie (Le mot théorie vient du mot grec theorein, qui signifie « contempler, observer, examiner ». Dans le langage courant, une théorie est une idée ou une connaissance...) de la gravitation (La gravitation est une des quatre interactions fondamentales de la physique.) jusqu'aux lois de la physique microscopique. Parmi les questions auxquelles cette science (La science (latin scientia, « connaissance ») est, d'après le dictionnaire Le Robert, « Ce que l'on sait pour l'avoir appris, ce que l'on tient pour vrai au sens large. L'ensemble...) est confrontée, une des plus importantes est celle du contenu énergétique de l'Univers. Savoir exactement de quoi est composé l'Univers et en quelles proportions permet non seulement de lui donner un âge, de décrire son évolution passée et future, mais également de trancher scientifiquement la question de sa finitude ou celle de sa fin. Et inversement, une évolution supposée d'un Univers à géométrie (La géométrie est la partie des mathématiques qui étudie les figures de l'espace de dimension 3 (géométrie euclidienne) et, depuis le XVIIIe siècle, les figures d'autres types d'espaces (géométrie...) donnée (Dans les technologies de l'information (TI), une donnée est une description élémentaire, souvent codée, d'une chose, d'une transaction d'affaire, d'un événement, etc.) n'admet qu'un contenu énergétique fixé. C'est cette équivalence entre contenu énergétique et propriétés spatio-temporelles de l'Univers qui a conduit les cosmologistes aux deux découvertes parmi les plus mystérieuses et les plus prometteuses de l'histoire de la physique (L'histoire de la physique essaie de retracer l'origine et l'évolution des idées, des méthodes, des hommes et des connaissances des sciences physiques.) moderne: l'existence de la matière noire et de l'énergie (Dans le sens commun l'énergie désigne tout ce qui permet d'effectuer un travail, fabriquer de la chaleur, de la lumière, de produire un mouvement.) sombre.

Alors que la matière noire est inévitable pour expliquer à la fois les fluctuations angulaires 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,...), la formation et les propriétés des 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 singulier.), l'énergie sombre a quant à elle été invoquée originellement pour rendre compte de l'accélération (L'accélération désigne couramment une augmentation de la vitesse ; en physique, plus précisément en cinématique, l'accélération est une grandeur vectorielle qui indique la...) de l'expansion cosmique observée dans les derniers milliards d'années de son histoire. Le modèle de concordance de la cosmologie avance que cette énergie sombre est l'oeuvre de 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...) introduite par Einstein pour tenter d'incorporer le principe de Mach en relativité générale (La relativité générale, fondée sur le principe de covariance générale qui étend le principe de relativité aux référentiels non-inertiels, est une...). Or l'interprétation habituelle de la constante cosmologique comme énergie du vide (Le vide est ordinairement défini comme l'absence de matière dans une zone spatiale.) quantique conduit à un désaccord historique entre la théorie et l'expérience de plusieurs dizaines d'ordres de grandeur! De plus, l'énergie du vide est supposée constante partout et toujours. Dès lors, comment se fait-il qu'elle devienne observable (Dans le formalisme de la mécanique quantique, une opération de mesure (c'est-à-dire obtenir la valeur ou un intervalle de valeurs d'un...) précisément aujourd'hui? Ceci laisserait croire que nous vivons à une époque fort particulière, voire privilégiée, de l'histoire cosmique. Est-ce une formidable coïncidence ou est-ce autre chose ?

En 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 surmonter ces difficultés, les auteurs de cette recherche (La recherche scientifique désigne en premier lieu l’ensemble des actions entreprises en vue de produire et de développer les connaissances scientifiques. Par extension métonymique,...) ont proposé l'hypothèse AWE (pour "Abnormally Weighting Energy") dans laquelle le secteur sombre de la matière cosmique viole le principe d'équivalence aux échelles cosmologiques. Ce principe, également introduit par Einstein, suppose que toutes les formes d'énergie produisent et subissent la gravitation de la même manière. Il est très précisément satisfait (à une précision de 1 pour 1000 milliards) en laboratoire, c'est-à-dire aux échelles locales. Que se passerait-il si, toutefois, la validité du principe d'équivalence dépendait de l'échelle considérée ? En d'autres termes, qu'adviendrait-il si le principe d'équivalence pouvait être rigoureusement vérifié aux échelles locales où justement matière noire et énergie sombre sont fort peu présentes et si au contraire il était violé aux échelles cosmologiques où matière noire et énergie sombre dominent. Les auteurs ont précisément montré que ceci pouvait naturellement apparaître, si un ensemble (En théorie des ensembles, un ensemble désigne intuitivement une collection d’objets (les éléments de l'ensemble), « une multitude qui peut être comprise comme un...) de particules, la matière noire par exemple, ne couplait pas à la gravitation de la même manière que la matière ordinaire. Ces particules de fait admettraient alors une nouvelle constante de la gravitation de Newton alors que la constante de gravitation de Newton associée à la matière ordinaire, celle qui est observée, deviendrait dépendante de la concentration en matière noire à l'échelle considérée.


Figure 2: Vraisemblance de divers paramètres cosmologiques
pour le modèle de matière noire anormalement pesante (à partir des données de SNLS).
Le maximum de vraisemblance est obtenu pour un âge d'environ 16 milliards d'années
(contre 13 milliards d'années pour le modèle de concordance),
?m=0.05, ?AWE=0.14 et ?DE=0.76.
Ce résultat permet d'identifier a posteriori, et avec l'analyse des supernovae seulement,
la matière ordinaire aux baryons, la matière AWE à la matière noire froide
et l'énergie noire aux termes dus à la variation du couplage gravitationnel

Nous savons que la concentration en matière noire est infime aux échelles sub-galactiques. La violation du principe d'équivalence attendue à cette échelle y est donc extrêmement ténue. Toutefois, il n'en sera pas de même aux échelles cosmologiques où la matière noire domine le contenu énergétique de l'Univers. A ces échelles, la matière ordinaire ressent alors une expansion cosmique de plus en plus importante, au fur (Fur est une petite île danoise dans le Limfjord. Fur compte environ 900 hab. . L'île couvre une superficie de 22 km². Elle est située dans la Municipalité de Skive.) et à mesure que sa constante de gravitation s'adapte à la domination de la matière noire. L'expansion cosmique résultante est donc accélérée jusqu'à ce qu'un équilibre soit atteint où la constante de gravitation aux échelles cosmologiques est différente (En mathématiques, la différente est définie en théorie algébrique des nombres pour mesurer l'éventuel défaut de dualité...) de sa valeur dans le système solaire (Le système solaire est un système planétaire composé d'une étoile, le Soleil et des corps célestes ou objets définis...). Le mécanisme d'énergie sombre ainsi construit possède des propriétés remarquables et très prometteuses:

(i) Il ne nécessite pas de pressions négatives comme c'est le cas avec la constante cosmologique ou toute autre généralisation (La généralisation est un procédé qui consiste à abstraire un ensemble de concepts ou d'objets en négligeant les détails de façon à ce qu'ils puissent être considérés de façon...) comme par exemple la quintessence.
(ii) Il permet d'expliquer naturellement la coïncidence cosmique grâce au mécanisme de stabilisation de la constante de gravitation durant l'ère cosmique dominée par la matière.
(iii) Il rend compte des données observationnelles sur les supernovae lointaines (cf. Figure 1) en prédisant indépendamment la proportion de matière ordinaire et de matière noire telle qu'elle est donnée (Dans les technologies de l'information, une donnée est une description élémentaire, souvent codée, d'une chose, d'une transaction, d'un événement,...) par ailleurs en analysant le rayonnement fossile. Ceci suggère une explication à la remarquable adéquation du modèle de concordance tout en prédisant également un âge de l'Univers en accord avec 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...) (voir Figure 2).
(iv) Enfin, ce mécanisme se termine de lui-même dans le futur par une expansion cosmique décélérée décrite par le traditionnel modèle cosmologique d'Einstein-de Sitter (Figure 3).

Mais, avant tout, cette hypothèse permet de réduire l'énergie sombre à une nouvelle propriété de la gravitation: la pesanteur anormale induite par la matière noire.


Figure 3: Evolution passée et future de l'expansion cosmique
dans les deux modèles de la figure 1.
Alors que la constante cosmologique conduit à une expansion exponentielle (La fonction exponentielle est l'une des applications les plus importantes en analyse, ou plus généralement en mathématiques et dans ses domaines...)
jamais décélérée dans l'avenir, le modèle AWE conduit à un Univers purement matériel
en expansion décélérée après un rééquilibrage de la constante de gravitation
aux échelles cosmologiques. Ce rééquilibrage est visible dans le facteur d'expansion
par les oscillations dans la courbe (En géométrie, le mot courbe, ou ligne courbe désigne certains sous-ensembles du plan, de l'espace usuels. Par exemple, les droites, les segments, les...) en trait plein.
La pesanteur anormale de la matière noire allonge d'environ 2 milliards d'années
l'âge de l'Univers par rapport à une constante cosmologique.

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