Énergie sombre - Définition

Introduction

En cosmologie, l'énergie sombre, ou énergie noire (dark energy en anglais) est une forme d'énergie inconnue en laboratoire emplissant tout l'Univers et dotée d'une pression négative, qui la fait se comporter comme une force gravitationnelle répulsive. L'énergie sombre est indirectement mise en évidence par diverses observations astrophysiques, notamment l'accélération de l'expansion de l'univers.

L'énergie sombre est, en termes de densité d'énergie, la composante majeure de l'univers. Elle représente 65% à 80% de la densité d'énergie totale de l'univers (72 % d'après le site de la NASA). En 2010, sa nature reste un mystère. Le terme d'énergie sombre est un terme générique qui englobe tout phénomène physique imitant une forme d'énergie à pression suffisamment négative.

Bref historique

Historiquement, la seule forme de matière (hypothétique) se comportant comme de l'énergie sombre était la constante cosmologique, proposée dans un autre contexte par Albert Einstein en 1916, et les seuls modèles faisant appel à de l'énergie sombre utilisaient en réalité une constante cosmologique. La motivation initiale d'Einstein restait cependant fort éloignée de celles qui motivent l'intérêt actuel pour l'énergie sombre. En effet, en 1916, date à laquelle l'expansion de l'univers n'était pas connue, Albert Einstein considérait que l'univers devait être statique, aussi lui fallait-il introduire une nouvelle force s'opposant à l'attraction gravitationnelle. Le candidat idéal fut trouvé avec la constante cosmologique, qui permettait, dans certaines conditions très particulières de contrebalancer exactement l'effet attractif de la force gravitationnelle.

Ce n'est que bien plus tard, en 1988, que fut proposé par l'astrophysicien indien Bharat Ratra un autre modèle d'énergie sombre, qui fut plus tard appelé quintessence. L'intérêt pour l'énergie sombre ne prit son essor qu'à partir de la fin des années 1990, époque où fut mise en évidence la réalité de l'énergie sombre par le phénomène d'accélération de l'expansion de l'univers. Par la suite, d'autres modèles furent proposés, parmi lesquels l'énergie fantôme, la k-essence, et le gaz de Chaplygin. Tous possèdent la même caractéristique essentielle, celle de posséder une pression suffisamment négative pour permettre d'expliquer, au moins quantitativement, l'accélération de l'expansion de l'univers.

Les recherches astrophysiques actuelles sur le sujet ont pour but principal de mesurer avec précision l'histoire de l'expansion de l'univers afin de déterminer la manière dont l'expansion varie avec le temps et en déduire les propriétés de l'énergie sombre, en particulier son équation d'état.

Naissance de la notion d'énergie sombre

À la fin des années 1990, les satellites et les télescopes ont permis des mesures très précises des supernovas distantes et du rayonnement fossile micro-onde. Plusieurs caractéristiques observées, notamment l'accélération de l'expansion de l'univers, conduisent à supposer qu'il existe effectivement une sorte d'énergie (baptisée sombre) dont l'équation d'état violerait la version forte du principe d'énergie, c'est-à-dire : 3P + ρ > 0, mais non sa version relaxée P + ρ > 0. Une énergie qui violerait les deux principes est appelée énergie fantôme.

Du fait de sa nature répulsive, l'énergie sombre a tendance à accélérer l'expansion de l'univers, plutôt que la ralentir, comme le fait la matière « normale ». Un univers accélérant est exactement ce que l'on constate en observant les supernovæ les plus lointaines. D'une manière remarquable, ces observations semblent indiquer que l'énergie sombre doit représenter environ 70% de la densité d'énergie. Ainsi, en additionnant les différentes énergies, on arrive exactement à ce qu'il faut pour avoir un univers de courbure quasi-nulle, ce qui correspond aux observations actuelles (2007).