Cosmologie: une solution à la pire prédiction en physique

Un physicien de l'UNIGE propose une nouvelle approche visant à résoudre l'un des plus grands problèmes théoriques de la physique, celui de la constante cosmologique.


La constante cosmologique, introduite il y a un siècle (Un siècle est maintenant une période de cent années. Le mot vient du latin saeculum, i, qui...) par Albert Einstein (Albert Einstein (né le 14 mars 1879 à Ulm, Wurtemberg, et mort le...) dans sa théorie de la relativité (Cet article traite de la théorie de la relativité à travers les âges. En physique, la notion de...) générale, est le poil (Le poil est une production filiforme de l'épiderme, couvrant partiellement ou...) à gratter des physiciens. L'écart entre la prédiction théorique de ce paramètre (Un paramètre est au sens large un élément d'information à prendre en compte...) et sa mesure basée sur des observations astronomiques est de l'ordre de 10^121. Sans surprise, cette estimation est considérée comme la pire de toute l'histoire de la physique (L'histoire de la physique essaie de retracer l'origine et l'évolution des idées, des...). Dans un article à paraître dans la revue Physics Letters B, un chercheur (Un chercheur (fem. chercheuse) désigne une personne dont le métier consiste à faire de la...) de l'Université de Genève (L'université de Genève (UNIGE) est l'université publique du canton de Genève en...) (UNIGE) propose une approche qui semble être en mesure de résoudre cette incohérence. L'idée originale du papier (Le papier (du latin papyrus) est une matière fabriquée à partir de fibres...) consiste à accepter qu'une autre constante, celle de la gravitation (La gravitation est le phénomène d'interaction physique qui cause l'attraction...) universelle G de Newton qui intervient aussi dans les équations de la relativité générale (La relativité générale, fondée sur le principe de covariance générale...), puisse varier. Cette avancée potentiellement majeure, reçue positivement par la communauté scientifique (Un scientifique est une personne qui se consacre à l'étude d'une science ou des sciences et qui...), doit toutefois encore être poursuivie afin de produire des prédictions susceptibles d'être confirmées - ou infirmées - expérimentalement.

"Mon travail consiste en une manipulation mathématique inédite des équations de la relativité générale qui permet - enfin - d'accorder la théorie (Le mot théorie vient du mot grec theorein, qui signifie « contempler, observer,...) et l'observation (L’observation est l’action de suivi attentif des phénomènes, sans volonté de les...) au sujet de la constante cosmologique (La constante cosmologique est un paramètre rajouté par Einstein en février 1917 à ses...)," estime Lucas Lombriser, professeur assistant au Département de physique théorique (La physique théorique est la branche de la physique qui étudie l’aspect théorique des lois...) de la Faculté des sciences de l'UNIGE et unique auteur de l'article.

Une expansion en pleine accélération

La constante cosmologique Λ (lambda) a été introduite dans les équations de la relativité générale par Albert Einstein il y a plus d'un siècle. Le célèbre physicien (Un physicien est un scientifique qui étudie le champ de la physique, c'est-à-dire la...) en avait besoin (Les besoins se situent au niveau de l'interaction entre l'individu et l'environnement. Il est...) pour que sa théorie soit compatible avec un Univers (L'Univers est l'ensemble de tout ce qui existe et les lois qui le régissent.) qu'il imaginait statique (Le mot statique peut désigner ou qualifier ce qui est relatif à l'absence de mouvement. Il peut...). En 1929, le physicien Edwin Hubble (Le télescope spatial Hubble (en anglais, Hubble Space Telescope ou HST) est un télescope en...) découvre toutefois que les galaxies (Galaxies est une revue française trimestrielle consacrée à la science-fiction. Avec...) s'éloignent toutes les unes des autres, signe que l'Univers et en réalité en expansion. En apprenant cela, Albert Einstein regrette d'avoir introduit la constante cosmologique, devenue inutile à ses yeux, et la qualifie même de "plus grande bêtise de sa vie (La vie est le nom donné :)".

En 1998, l'analyse précise des supernovæ lointaines offre la preuve que l'expansion de l'Univers, loin d'être constante, subit même une accélération, comme si une force (Le mot force peut désigner un pouvoir mécanique sur les choses, et aussi, métaphoriquement, un...) mystérieuse faisait gonfler le cosmos de plus en plus rapidement. La constante cosmologique est alors de nouveau appelée à la rescousse afin de décrire ce que les physiciens appellent l'"énergie (Dans le sens commun l'énergie désigne tout ce qui permet d'effectuer un travail, fabriquer de la...) du vide (Le vide est ordinairement défini comme l'absence de matière dans une zone spatiale.)". Une énergie dont la nature est inconnue (on parle d'énergie sombre (En cosmologie, l'énergie sombre est une forme d'énergie hypothétique remplissant tout l'Univers...), de quintessence, etc), mais qui est responsable de l'expansion accélérée de l'Univers.

Les observations les plus précises des supernovæ et surtout du fond diffus cosmologique (Le fond diffus cosmologique est le nom donné au rayonnement électromagnétique issu...) (un rayonnement (Le rayonnement, synonyme de radiation en physique, désigne le processus d'émission ou de...) micro-onde (Les micro-ondes sont des ondes électromagnétiques de longueur d'onde intermédiaire entre...) qui provient de tous les points du ciel (Le ciel est l'atmosphère de la Terre telle qu'elle est vue depuis le sol de la planète.) et qui est considéré comme la relique du Big Bang) ont permis de mesurer une valeur expérimentale ( En art, il s'agit d'approches de création basées sur une remise en question des dogmes...) de cette constante cosmologique. Le résultat est un chiffre (Un chiffre est un symbole utilisé pour représenter les nombres.) très petit (1,11 × 10^−52 m^−2) mais suffisant pour générer l'effet désiré d'une expansion accélérée.

Grand écart entre la théorie et l'observation

Le problème, c'est que la valeur théorique de la constante cosmologique est très différente (En mathématiques, la différente est définie en théorie algébrique des...). Cette valeur est obtenue grâce à la théorie quantique des champs (La théorie quantique des champs (QFT, abréviation du terme anglais Quantum field theory)...) selon laquelle, à toute petite échelle, en tout (Le tout compris comme ensemble de ce qui existe est souvent interprété comme le monde ou...) point (Graphie) de l'espace et à tout moment, des couples de particules se créent et s'annihiler quasi-instantanément. L'énergie de cette "fluctuation du vide" - un phénomène bien réel - est interprétée comme une contribution à la constante cosmologique. Mais lorsqu'on calcule sa valeur, on obtient un chiffre énorme (3,83 × 10^+69 m^−2), largement incompatible avec la valeur expérimentale. Cette estimation représente le plus grand écart jamais obtenu (d'un facteur 10^121, c'est-à-dire un "1" suivi de 121 "0") entre la théorie et l'expérience dans l'ensemble (En théorie des ensembles, un ensemble désigne intuitivement une collection...) de la science (La science (latin scientia, « connaissance ») est, d'après le dictionnaire...).

Ce problème de la constante cosmologique est l'un des sujets les plus "chaud" de la physique (La physique (du grec φυσις, la nature) est étymologiquement la...) théorique actuelle et il mobilise de nombreux chercheurs à travers le monde (Le mot monde peut désigner :). Tous tournent et retournent les équations de la relativité générale dans tous les sens (SENS (Strategies for Engineered Negligible Senescence) est un projet scientifique qui a pour but...), cherchant à trouver des idées susceptibles de le résoudre. Plusieurs stratégies sont proposées, mais pour l'instant (L'instant désigne le plus petit élément constitutif du temps. L'instant n'est pas...) aucune ne remporte l'unanimité.

Lucas Lombriser, de son côté, a eu il y a quelques années l'idée originale d'introduire une variation dans la constante universelle de gravitation G (celle de Newton) qui apparaît dans les équations d'Einstein. Cela signifie que l'Univers dans lequel nous vivons (avec un G valant 6,674 08 × 10^−11 m3/kg s2) devient un cas particulier parmi un nombre (La notion de nombre en linguistique est traitée à l’article « Nombre...) infini (Le mot « infini » (-e, -s ; du latin finitus,...) de possibilités théoriques différentes.

L'approche mathématique de Lucas Lombriser permet, après nombre développements et hypothèses, de calculer le paramètre ΩΛ (oméga lambda) qui est une autre manière d'exprimer la constante cosmologique mais qui est nettement plus facile à manier. Ce paramètre désigne aussi la fraction actuelle de l'Univers qui est composée d'énergie sombre (le reste étant composé de matière). La valeur théorique obtenue par le physicien genevois est de 0,704, ou 70,4%. Ce chiffre est en bon accord avec la meilleure estimation expérimentale obtenue à ce jour (Le jour ou la journée est l'intervalle qui sépare le lever du coucher du Soleil ; c'est la...): 0,685, ou 68,5%, ce qui est une énorme amélioration par rapport à l'écart de 10^121.

Ce premier succès doit désormais être suivi d'autres analyses afin de vérifier si ce nouveau cadre de travail proposé par Lucas Lombriser permet de réinterpréter ou de clarifier d'autres mystères de la cosmologie (La cosmologie est la branche de l'astrophysique qui étudie l'Univers en tant que système...). Le physicien a déjà été invité à présenter et expliquer son approche dans des congrès scientifiques, ce qui témoigne de l'intérêt de la communauté.