Podcast science 36 – l’énergie noire

On 12.05.2011, in Notes d'émission, by Podcast Science
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Bonjour à toutes et à tous!

- si vous avez reçu un fichier MP3 bizarre dans votre lecteur de podcasts, toutes nos excuses, c’était le DERNIER souci du genre, dès la semaine prochaine, nous aurons migré nos flux RSS. Sincèrement désolés.

Le dossier de la semaine

Les news de la semaine

  • clin d’oeil aux paraskevidékatriaphobes (les personnes atteintes de la phobie du vendredi 13). C’est le seul vendredi 13 de l’année. Le prochain en janvier 2013 http://fr.wikipedia.org/wiki/Vendredi_treize
  • Période marquée par des résultats contradictoires pour la théorie de la relativité générale :
    • D’une part, le dernier Science & Vie (Merci Thibaut Lacroix!) consacre sa Une à la remise en question de la théorie d’Einstein et de la matière noire en passant, résumé:
      • en 1915, Albert Einstein formule la théorie de la relativité générale qui ne voit plus la gravitation comme une force d’attraction à la matière environnante mais comme une modification de la trame de l’espace-temps. Cela pose les bases de la cosmologie moderne;
      • Mais en 1933, l’astronome suisse Fritz Zwicki n’arrive pas à expliquer pourquoi ses observations de galaxies lointaines n’obéissaient pas aux lois d’Einstein et en déduit qu’il doit exister une matière invisible, la matière noire qui exerce elle aussi sa propre gravitation;
      • Un astronome américain, Stacy Mac Gaugh de l’Université du Maryland, est formel: il a passé ces 15 dernières années à observer 47 galaxies et il n’a pas besoin de la matière noire pour justifier les mouvements observés.  L’animation des étoiles correspond à leur masse visible, comme si la matière noire n’existait pas et répond systématiquement aux règles prévues par une théorie postulée en 1977 par deux autres astronomes américains, Brent Tully et Richard Fisher (et qui ne correspond ni aux prédictions de Newton ni à celles d’Einstein). Tout se passe comme si la matière noire n’existait pas.
      • Si la matière noire n’existe pas, alors la théorie de la relativité générale est-elle toujours valide?

Article en ligne: http://www.scribd.com/doc/54316244/Einstein-depasse-

    • D’autre part, dans le même temps, une news partagée sur Google Reader par Jorj x McKie nous indique que  la sonde Gravity Probe B (GP-B) de la NASA a confirmé 2 prédictions-clé dérivées de la théorie de la relativité générale d’Einstein:

L’expérience, lancée en 2004, utilise 4 gyroscopes ultra précis pour mesurer un hypothétique effet géodétique, la déformation de l’espace et du temps autour d’un corps gravitationnel, et la quantité d’Espace-temps qu’il entraine avec lui lors de sa rotation.

GP-B, en orbite polaire autour de la Terre, a analysé ces effets en pointant vers une seule étoile : IM Pegasi (constellation de Pégase). Si la gravité n’affectait pas l’Espace et le Temps, les gyroscopes de GP-B pointeraient toujours vers la même direction. Mais, en confirmation des théories d’Einstein, les gyroscopes ont expérimenté des changements infimes dans la direction de leur rotation, alors que la gravité de la Terre les attirait.

Le projet GP-B est très ancien. Le financement initial de la NASA visant à développer un test de la relativité générale utilisant un gyroscope date de l’automne 1963. Des décennies de développement ont conduit à des technologies permettant de contrôler l’impact des perturbations de l’environnement sur la sonde telles que la trainée aérodynamique, les champs magnétiques et les variations thermiques.

GP-B a terminé ses opérations de collecte de données en décembre 2010. Les résultats ont été publiés dans le journal Physical Review Letters

(via http://guydoyen.fr/2011/05/07/espace-temps-la-sonde-gravity-probe-b-confirme-2-theories-d-einstein/ )

Bref… Au rayon des choses sérieuses,

La fameuse quote de Mathieu

Le Critère de Karl Popper :

“Ce qui est scientifique doit être réfutable”

A méditer…

Prochain enregistrement le jeudi 19 mai. D’ici là, une excellente semaine à toutes et à tous!

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Dossier – L’Energie Noire

On 12.05.2011, in Dossiers, by Mathieu
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L’énergie noire est une forme hypothétique d’énergie qui remplirait tout notre Univers et qui a été indirectement mise en évidence par diverses observations astrophysiques, notamment l’accélération de l’expansion de l’Univers.

  • L’Univers est non seulement dans une phase d’expansion, mais aussi dans une expansion qui s’accélère.
  • Du fait de sa nature répulsive, l’énergie noire a tendance à accélérer l’expansion de l’Univers, plutôt que la ralentir, comme le fait la matière normale par effet attractif gravitationnel.

Une façon intuitive de visualiser l’expansion de l’Univers est de prendre l’analogie d’une toile élastique que l’on étire dans toutes les directions:

  • Si l’on dessine des motifs sur la toile, alors ceux-ci vont grossir en même temps qu’ils semblent s’éloigner les uns des autres lorsque l’on étire la toile.
  • Par contre, si au lieu de dessiner des motifs on colle sur la toile un objet rigide (une pièce de monnaie par exemple), alors, en étirant la toile, on va éloigner les objets les uns des autres, mais cette fois ils vont garder une taille constante.
  • C’est un processus de ce type qui est à l’œuvre avec l’expansion de l’Univers.
    • L’expansion de l’Univers ne signifie pas que les objets astrophysiques voient leur taille varier.
    • Ce n’est que leur distance mutuelle qui varie au cours du temps, et ce uniquement pour des objets suffisamment éloignés.

Historique

Historiquement, la seule forme d’énergie (hypothétique) se comportant comme de l’énergie noire était la constante cosmologique, proposée dans un autre contexte par Albert Einstein en 1916.

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 la force de gravitation, afin d’expliquer pourquoi l’Univers ne s’effondrait pas sur lui-même sous sa propre force d’attraction gravitationnelle.

  • Le candidat idéal qui fut trouvé est la constante cosmologique Λ, qui permettait de contrebalancer l’effet attractif de la force gravitationnelle.
  • La constante cosmologique est un paramètre rajouté par Einstein à ses équations de la relativité générale, dans le but de rendre sa théorie compatible avec l’idée qu’il y avait alors un Univers statique.
  • La constante cosmologique représente une densité d’énergie constante qui remplit l’espace de façon homogène.
  • Elle introduit une sorte d’énergie (un champ scalaire constant) présente en tout point du continuum spatio-temporel, qui, avec un choix convenable de signe et de valeur, peut s’opposer à la gravité et modifier le profil d’évolution de la taille de l’Univers.

En 1929, Edwin Hubble observe un décalage vers le rouge (redshift) des galaxies qui témoignerait d’un Univers en expansion.

  • La Loi d’Hubble énonce que les galaxies s’éloignent les unes des autres à une vitesse approximativement proportionnelle à leur distance.
    • Autrement dit, plus une galaxie est loin de nous, plus elle semble s’éloigner rapidement.
  • Cette loi ne concerne bien évidemment que la partie de l’Univers accessible aux observations (Univers observable).
    • L’extrapolation de la loi de Hubble sur des distances plus grandes est possible, mais uniquement si l’Univers demeure homogène et isotrope sur de plus grandes distances (ses propriétés ne changent pas).
    • C’est le principe cosmologique qui dit que l’Univers est:
      • homogène: l’Univers est invariant quand on se déplace dedans, son apparence générale ne dépend pas de la position de l’observateur.
      • isotrope: l’Univers est invariant quand on regarde dans différentes directions, son aspect ne dépend pas de la direction dans laquelle on l’observe.
  • La conséquence immédiate de la loi de Hubble et de l’expansion de l’Univers est que celui-ci était par le passé plus dense et donc plus chaud, et de là découle le modèle du Big Bang.
  • Il semblerait que, deux ans avant Hubble, Georges Lemaître avait prédit l’existence de cette loi…un nouvel exemple de la loi de Stigler.
  • Suite à la découverte de Hubble, Albert Einstein revient sur l’introduction de la constante cosmologique, la qualifiant de « plus grande bêtise de sa vie. »
  • Il est alors revenu à son équation originelle (où la constante cosmologique Λ ne figure pas),  jugée plus conforme avec les observations de l’époque.

Un temps abandonnée par la cosmologie, cette constante cosmologique a été récemment remise au goût du jour après la découverte dans les années 1990 de l’accélération de l’expansion de l’Univers (mis en évidence par des mesures sur des supernovae, le fond diffus cosmologique, lentilles gravitationnelles…), et on a vu apparaître un regain d’intérêt pour cette constante cosmologique.

  • Elle décrirait une force ou énergie, encore hypothétique, qui accélèrerait l’expansion de l’Univers, appelée énergie sombre (ou énergie noire).
  • Elle demeure compatible avec l’ensemble de la théorie de la relativité générale.
    • Dans le cadre de la théorie d’Albert Einstein, lorsque qu’on cherche à construire un modèle cosmologique, un univers dynamique est bien plus naturel qu’un univers statique.
    • Elle permet donc de s’appuyer sur les lois de la Relativité Générale pour définir une sorte d’énergie invisible qui se comporte contre la force de gravitation et qui accélère l’expansion de l’Univers.
  • L’énergie noire se comporterait ainsi comme une force gravitationnelle répulsive.

L’expansion accélérée de l’Univers

  • Selon la Loi de Hubble, toutes les galaxies lointaines s’éloigent de nous, de la Voie Lactée.
  • Leur spectre lumineux montre un déplacement vers le rouge dû à l’effet Doppler.
    • L’effet Doppler décrit le décalage de fréquence d’une onde électromagnétique entre la mesure à l’émission et la mesure à la réception lorsque la distance entre l’émetteur et le récepteur varie au cours du temps.
    • Un exemple connu de l’effet Doppler est celui du son émis par la sirène d’une ambulance qui parait d’autant plus grave que l’ambulance s’éloigne vite.
    • En cosmologie, l’effet Doppler se manifeste par un décalage vers le rouge (redshift en anglais), c’est à dire par un décalage vers les grandes longueurs d’onde du spectre visible (de la lumière) émis par les objets astronomiques lointains.
  • La théorie de la Relativité Générale nous dit aussi que l’espace peut se dilater au cours du temps.
    • Si l’on est capable aujourd’hui d’estimer la distance à laquelle se trouve un objet astronomique très lointain, c’est parce qu’au cours de son voyage vers nous, la lumière qu’il a émise a été modifiée par la dilatation de l’espace.
    • On peut comprendre le phénomène en se représentant la lumière comme une onde:
      • Si cette onde voyage dans l’espace et que l’espace se dilate, la longueur d’onde (c’est-à-dire la longueur entre deux pics de l’onde) se trouve augmentée.
      • Ainsi par exemple pour de la lumière bleue, l’étirement de l’espace peut lui donner au final une longueur d’onde corrrespondant au rouge.
    • C’est cette propriété de décalage vers le rouge qui nous indique l’âge de l’objet lointain:
      • plus l’objet émetteur est lointain, plus la lumière voyage longtemps avant de nous parvenir, plus elle sera décalée vers le rouge par la dilatation de l’espace qu’elle aura traversé .
    • Pour les objets astronomiques qui se rapprochent de nous, on parle de blueshift, ou décalage vers le bleu.
  • La constante de Hubble H0 (à ne pas confondre avec la constante cosmologique) est directement liée à la loi de Hubble et elle donne le taux d’expansion actuel de l’Univers.
  • Les supernovae de type SN 1a (les supernovae sont des phénomènes conséquents à l’explosion d’une étoile) fournissent la preuve principale directe de l’expansion accélérée de l’Univers.
    • Les physiciens connaissent la magnitude absolue (luminosité intrinsèque absolue) des supernovae 1a.
    • En mesurant leur distance à partir de leur luminosité intrinsèque et la mettant en relation avec le décalage vers le rouge, on arrive à reconstituer l’histoire de l’expansion de l’Univers sur plusieurs milliards d’années, et de voir de la sorte si l’expansion de l’Univers accélère ou décélère avec le temps.
    • En 1998, diverses observations sur ces supernovae situées dans des galaxies lointaines (et donc jeunes) ont montré que la constante de Hubble n’est pas si constante que ça et que sa valeur peut varier avec le temps.
    • Jusqu’à cette découverte, on pensait que l’expansion de l’Univers était plutôt en train de se fraîner dû à la force gravitationnelle.
    • Cependant, la découverte sur la variation de la valeur de la constante de Hubble se traduit par une accélération de l’expansion de l’Univers.
  • Il doit donc exister un type de force ou énergie qui accélère l’Univers.
  • De là est née la notion d’énergie noire.
  • L’accélération de l’expansion de l’Univers mise en évidence serait en fait un événement « récent » dans l’histoire cosmique:
    • L’énergie noire gouvernerait la dynamique de l’Univers que depuis quelques milliards d’années.
    • Avant cette phase, c’est en principe la matière qui dominait cette dynamique, conduisant à la décélération de l’expansion.
  • L’existence de l’énergie noire est aussi nécessaire pour réconcilier la géométrie qu’on a mesuré de l’espace avec la somme totale de la matière présente dans l’Univers.
    • Des mesures indiquent que l’Univers est très proche d’être géométriquement plat.
    • Pour que la forme de l’Univers soit plate, la densité d’énergie (matière) de l’Univers doit être égale à une certaine densité critique.
    • Comme on l’a vu dans le dossier sur la matière noire, cette densité critique d’énergie pour un Univers plat implique une limite quant à la quantité de matière baryonique et matière noire présentes dans l’Univers.
    • Pour un Univers plat, la matière (baryonique+noire) ne peut constituer qu’au maximum 30% de la denstié critique totale de l’Univers.
    • Ca implique l’existence d’une forme d’énergie additionnelle qui constituerait environ les 70% restants de la densité critique totale de l’Univers.

Dans le dossier sur la matière noire, on avait dit plus précisément que la densité énergétique de l’Univers était composée de:

  • 4% de matière baryonique ou matière observable (étoiles, planètes, gaz).
  • 23% de matière noire.
  • 73% d’énergie noire.

On voit que l’énergie noire est, en termes de densité d’énergie, la composante majeure de l’Univers.

Répartition de la Matière dans l'Univers

En additionnant les différentes énergies dans ces proportions, on arrive exactement à ce qu’il faut pour avoir un univers de courbure quasi-nulle (k=0).

“]Universe Geometry

The densities of dark energy and dark matter determine whether we live in a flat (k=0), closed (k=+1) or open (k=-1) universe [From J.M. Overduin & P.S. Wesson, Dark Sky, Dark Matter (Institute of Physics Press, 2003)

Observations

 

  • Pour observer l’influence de l’énergie noire sur le taux d’expansion de l’Univers:
    • on mesure l’accroissement de la taille, et donc de la masse des amas de galaxies, au cours de l’histoire de l’Univers.
  • Mais comment mesurer la masse des amas de galaxies ?
    • Il se trouve que les amas de galaxies baignent dans un gaz chaud porté à une température si élevée qu’une émission importante dans le domaine des rayons X a lieu.
    • De même que la luminosité des étoiles est reliée à leur masse, la luminosité du gaz dans le quel baigne l’amas de galaxies nous donne des informations sur sa masse.
    • A l’aide du satellite Chandra, on a mesuré la luminosité des amas dans ce domaine des longueurs d’onde des rayons X.
    • On a ainsi pu déduire le poids des amas galaxies.
  • Plus de 80 amas ont ainsi été examinés.
  • Il est clairement apparu que le taux de leur croissance au cours du temps est bien conforme à ce que l’on attend en présence de l’énergie noire dans un Univers à géométrie plate.

Le téléscope spatial Euclid (pas encore mis en service) est un satellite dédié qui aura pour mission de cartographier le ciel pour mesurer depuis l’espace en couvrant la totalité du ciel le taux d’accélération de l’Univers et d’explorer les propriétés de l’énergie noire:

  • S’agit-il d’une véritable nouvelle substance?
  • S’agit-il d’une modification de la gravité?

Ce téléscope nous donnera non seulement des information sur l’accélération de l’expansion de l’Univers , mais aussi comment varie et évolue cette accélération au cours du temps.

Le prix Nobel de physique Martin Perl pense qu’il est possible de détecter l’énergie noire en laboratoire en utilisant des expériences d’interférométrie atomique et ce d’ici 2014 ! Il s’agira de mesurer des fluctuations d’énergie noire dans une cloche à vide de 2 mètres de haut tout au plus.

Nature de l’énergie noire

La nature exacte de l’énergie noire fait largement partie du domaine de la spéculation. Différentes hypothèses ont été avancées:

La constante cosmologique

  • Certains estiment que l’énergie noire serait l’énergie du vide quantique, modélisée par la constante cosmologique de la relativité générale introduite par Einstein:
    • C’est l’explication la plus simple pour les physiciens.
    • Le “coût” lié à l’existence même de l’espace impliquerait que celui-ci doit posséder une sorte d’énergie fondamentale et intrinsèque.
    • Cet énergie fondamentale serait représentée par la constante cosmologique qui ne varie pas dans le temps.
    • En physique des particules (théorie quantique des champs):
      • on appelle énergie du vide (quantique) cette forme d’énergie fondamentale car sa densité est la même que celle de l’énergie du vide.
      • la physique des particules prédit des fluctuations du vide qui provoquerait exactement ce type d’énergie et aurait pu déclencher l’expansion de l’Univers.
    • Si l’énergie noire prend cette forme, cela signifie qu’il s’agit d’une propriété fondamentale de l’Univers.
    • Poser une constante cosmologique signifie que la densité de l’énergie noire est uniforme, et constante dans tout l’univers, invariable en fonction du temps.
    • Cependant les différentes théories physiques ne se mettent pas d’accord sur la valeur de cette constante cosmologique:
      • la théorie quantique des champs prédit une grande constante cosmologique.
      • la thérorie de supersymétrie a besoin que la valeur de la constante cosmologique soit proche de zéro.
    • C’est tout de même épatant qu’un simple numéro (la constante cosmologique) puisse expliquer de manière satisfaisante une multitude d’observations et la présence d’énergie noire!

La quintessence

  • L’énergie noire pourrait-elle être induite par l’existence de particules inconnues.
  • Certaines théories affirment que ces particules ont été créées en quantité suffisante lors du Big Bang pour remplir tout l’espace.
  • Néanmoins, si cela était le cas, on s’attendrait à ce qu’elles se regroupent, de la même manière que la matière ordinaire, et on observerait des variations de densité en fonction du temps.
  • Cependant, aucune preuve n’en a été observée, mais la précision des observations ne permet pas d’exclure cette hypothèse.
  • Ces modèles sont appelées quintessence.
  • Le terme de quintessence fait allusion au fait qu’il existe une cinquième forme d’énergie qui s’ajoute aux quatre types de matières (ou de formes d’énergie) dans l’Univers :
  • La quintessence, à la différence de la constante cosmologique, peut varier dans l’espace et dans le temps.
  • La théorie de la quintessence prédit aussi une accélération de l’expansion de l’Univers légèrement plus lente que la constante cosmologique.

Scénarios sur le destin de l’Univers

 

Destin de l'Univers

  • Si la densité de l’énergie noire n’augmente pas avec le temps (modèle de la constante cosmologique):
    • Le futur de l’Univers sera celui d’un Univers plat, éternellement en expansion.
    • Son expansion va continuer d’accélérer.
    • L’existence des systèmes liés par la gravitation, tels les galaxies ou les systèmes planétaires, n’est pas menacée.
      • Notre Système Solaire ou la Voie Lactée demeureront essentiellement identiques à ce qu’ils sont aujourd’hui.
      • Les forces nécessaires pour contrer le mouvement d’expansion de l’Univers à l’échelle d’un atome, d’une planète, d’une étoile, d’une galaxie, d’un amas de galaxies, sont suffisantes pour assurer la cohésion de ces objets.
    • Par contre le reste de l’Univers, au-delà de notre super-amas local, semblera s’éloigner constamment.
      • Les structures qui ne sont pas liées gravitationnellement finiront par s’éloigner les unes des autres.
    • Ainsi, cette accélération nous empêchera finalement d’observer des portions importantes de l’Univers qui sont aujourd’hui visibles pour nous.
    • Notre horizon cosmologique, plutôt que de reculer, finira par se rapprocher de nous.
    • L’Univers deviendra alors de plus en plus froid et de plus en plus vide.
  • Si l’énergie noire augmente avec le temps (modèle de la quintessence):
    • Une accélération exponentielle de l’expansion de l’Univers aurait lieu.
    • Une accélération si rapide qu’elle pourrait surmonter les forces d’attraction nucléaires et détruirait l’Univers dans environ 20 millards d’années.
    • C’est le scénario de type Big Rip, où toute la matière de l’Univers, jusque dans ses atomes mêmes, se désintégrerait, laissant un Univers infini et totalement vide.
  • Si l’énergie noire se dilue avec le temps, ou voire s’inverse (modèle de la quintessence):
    • Ca laisse la porte ouverte à ce que la gravité puisse un jour dominer l’Univers, qui se contracterait alors sur lui-même et disparaîtrait dans un Big Crunch.
    • De la même manière, si l’on considère que l’Univers est fermé (au lieu d’être plat), l’attraction gravitationnelle de la masse de l’Univers devient plus grande que son expansion, et celui-ci aura tendance à se contracter pour finalement disparaître dans un Big Crunch.
    • Ce scénario est néanmoins considéré comme le moins probable.

future of universe

Conclusion

Malgré la quasi unanimité actuelle apparente des cosmologistes autour de l’idée de l’accélération de l’expansion de l’Univers, la réalité de cette accélération ne sera établie que lorsque le phénomène pourra être inclus dans un cadre théorique solide, lequel fait encore défaut.

Comme pour la matière noire, on peut donc se poser la question si l’accélération de l’expansion de l’Univers est réellement due à cette énergie noire hypothétique ou si elle manifeste plutôt des erreurs dans les équations?

Sources:

http://fr.wikipedia.org/wiki/%C3%89nergie_noire

http://es.wikipedia.org/wiki/Energ%C3%ADa_oscura

http://fr.wikipedia.org/wiki/Expansion_de_l%27Univers

http://pages.towson.edu/joverdui/

http://www.futura-sciences.com/fr/doc/t/physique/d/energie-noire_1033/c3/221/p1/

http://www.futura-sciences.com/fr/news/t/physique-1/d/martin-perl-prix-nobel-veut-detecter-lenergie-noire-au-laboratoire_28121/

http://www.futura-sciences.com/fr/news/t/astronomie/d/lenergie-noire-controle-la-croissance-des-amas-de-galaxies_17750/

http://www.futura-sciences.com/fr/news/t/astronomie/d/hubble-refute-une-alternative-a-lexistence-de-lenergie-noire_28817/

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