Il existe dans notre univers une substance fantomatique qui représente près de 70 % de son contenu total. On l’appelle énergie noire, faute de mieux, car elle échappe à tous nos instruments et ne se manifeste que par ses effets : elle dilate l’espace, éloigne les galaxies, étire la toile cosmique. Depuis sa découverte il y a vingt-cinq ans, nous la pensions immuable, constante dans sa nature comme dans ses effets. C’était notre repère fixe dans un univers mouvant.
Mais voilà que cette certitude vacille. Pendant trois années complètes, l’instrument DESI (Dark Energy Spectroscopic Instrument) a scruté la voûte céleste depuis l’Arizona, captant la lumière de près de 15 millions de galaxies. Celle-ci porte en elle l’histoire de l’expansion cosmique, et cette histoire vient de prendre un tournant que la communauté scientifique n’attendait pas. « Nous sommes aux confins de la connaissance humaine », confie Will Percival de l’Université de Waterloo. « Ce que nous observons, c’est quelque chose d’extraordinaire qui concerne l’univers tout entier » Dans son bureau du Maryland, Adam Riess, l’un des trois découvreurs de l’accélération cosmique, ne cache pas son exaltation : « Voici l’indice le plus révélateur sur la nature de l’énergie noire depuis que nous l’avons débusquée il y a un quart de siècle ».
L’expansion de l’univers ralentit ?
Pour comprendre cette découverte, plongeons dans les méandres de la physique cosmique. DESI mesure ce que les astronomes appellent le « décalage vers le rouge », ou « redshift » en anglais. C’est un étirement des ondes lumineuses comparable à la déformation du son d’une sirène qui s’éloigne. Plus une galaxie est distante, plus sa lumière nous parvient étirée, rougie par son voyage à travers l’espace en expansion.
Depuis les années 1990, notre modèle standard de la cosmologie ; baptisé lambda-CDM ; postule que cette expansion s’accélère à un rythme constant, poussée par une énergie noire de valeur fixe (lambda). Or, les nouvelles observations suggèrent que cette accélération diminue progressivement. L’énergie noire semble perdre de sa vigueur au fil des milliards d’années.
Cette nuance peut sembler ténue, mais pour le monde de l’astronomie, c’est une secousse. Afin de mieux cerner pourquoi, il faut s’attarder sur la notion de certitude statistique en physique fondamentale. Les chercheurs évaluent leurs résultats selon une échelle de confiance appelée « sigma » – cette mesure quantifie la probabilité qu’un résultat observé soit le fruit du hasard plutôt qu’un phénomène réel.
Chaque niveau sigma supplémentaire divise par dix la probabilité d’erreur. À « 5 sigma » – le seuil canonique exigé en physique des particules depuis la découverte du boson de Higgs – la probabilité qu’une observation soit une fluctuation statistique tombe à moins d’une chance sur trois millions.
Les observations de DESI atteignent actuellement 4,2 sigma, ce qui correspond à une probabilité d’erreur d’environ deux chances sur cent mille. Un niveau de confiance déjà extraordinaire pour une découverte cosmologique, mais pas encore suffisant pour proclamer une révolution paradigmatique.
Mustapha Ishak-Boushaki, astrophysicien à l’Université du Texas à Dallas, estime que cette confirmation devrait survenir dans un avenir proche. Si les mesures de DESI continuent sur la même trajectoire, le seuil fatidique des 5 sigma pourrait être atteint d’ici deux ans. « Cette découverte sur l’énergie noire, nous n’espérions pas la voir de notre vivant », explique le chercheur.
Ce n’est pas seulement DESI qui détecte cette anomalie, mais plusieurs autres études indépendantes qui convergent vers la même conclusion. Pour illustrer cet état de fait, Riess compare cette situation à un tabouret doté de multiples pieds qui le tiennent en équilibre. Si on retire un pied du tabouret, ce n’est pas pour autant que la conclusion n’est pas valable.
Un nouveau scénario pour la fin de l’univers ?
Imaginons un navire dont les voiles, gonflées par un vent puissant, se dégonfleraient peu à peu. L’univers pourrait connaître pareil destin. Si l’énergie noire continue de s’affaiblir, l’expansion cosmique pourrait ralentir jusqu’à atteindre un rythme constant, sans accélération.
Certains scénarios, longtemps relégués aux confins du domaine de l’hypothétique, ressurgissent. Le « Big Crunch », ou « effondrement terminal » ; cette contraction finale où l’univers, après avoir atteint son expansion maximale, reviendrait sur lui-même jusqu’à s’effondrer ; reprend ainsi de la substance. Cet effondrement est justement une conséquence directe de la possibilité que l’énergie noire ne soit pas une force répulsive constante. Si elle s’affaiblit suffisamment, la gravité pourrait éventuellement prendre le dessus et inverser l’expansion de l’univers, le faisant se contracter jusqu’à ce fameux point final.
Le discours cosmologique dominant jusqu’à présent nous présentait un univers inexorablement voué à une dilution éternelle, où les structures cosmiques – galaxies, amas, superamas – s’éloigneraient les unes des autres à un rythme toujours plus effréné. Cette expansion accélérée conduirait ultimement à une « mort thermique » : un état d’entropie maximale où l’énergie serait si uniformément diluée dans l’immensité spatiale que toute activité thermodynamique deviendrait impossible.
Dans ce scénario, les dernières étoiles s’éteindraient, les trous noirs s’évaporeraient, et l’univers sombrerait dans un froid sidéral absolu où aucune forme de complexité organisée – et donc aucune forme de vie – ne pourrait subsister.
Aujourd’hui, cette perspective n’est donc désormais plus la seule option sur la table. Dans l’hypothèse du Big Crunch par exemple, les galaxies, après des milliards d’années d’éloignement, inverseraient leur trajectoire et se rapprocheraient. La température et la densité cosmiques augmenteraient graduellement, jusqu’à ce que toute la matière et l’énergie se retrouvent comprimées dans un état similaire aux premiers instants qui suivirent le Big Bang. Pour tout observateur hypothétique qui subsisterait dans cet univers en contraction, le ciel nocturne s’illuminerait de galaxies devenues toujours plus proches, avant que les températures extrêmes ne rendent toute forme de vie organisée impossible bien avant l’effondrement final.
Pour affiner ces prédictions, d’autres yeux se tourneront bientôt vers le ciel. Le futur télescope spatial Nancy Grace Roman de la NASA et l’Observatoire Vera Rubin au Chili apporteront aussi leur pierre à l’édifice. Pendant ce temps, les théoriciens s’affaireront à bâtir de nouveaux modèles mathématiques capables d’intégrer cette énergie noire changeante. « Pour les modèles théoriques, la boîte de Pandore vient tout juste de s’ouvrir. Nous étions prisonniers d’une constante cosmologique. Nous ne le sommes plus », résume Ishak-Boushaki.
Tout, ou presque, pourrait être remis en question : le modèle lambda-CDM, les fondements de la relativité générale à l’échelle cosmologique, l’histoire et le futur de l’expansion du cosmos… Si, dans les prochaines années, ces données sont consolidées, nous assisterions au plus grand chambardement de la cosmologie depuis la découverte de l’expansion accélérée de l’univers à la fin des années 1990. Autant dire que nos manuels d’astrophysique vont avoir besoin d’un sérieux coup de jeune, et qu’Einstein risque de se retourner (encore une fois) dans sa tombe.
- Les observations de l’instrument DESI indiquent que la force cosmique responsable de l’accélération de l’expansion de l’univers diminue avec le temps, contrairement à ce que prévoyait le modèle cosmologique actuel (lambda-CDM).
- Cette variation mesurée à un niveau de 4,2 sigma pourrait, si elle se confirme, modifier notre compréhension du destin de l’univers.
- Plusieurs études convergent vers cette anomalie, et de futurs télescopes comme Roman ou Vera Rubin pourraient confirmer le phénomène, déclenchant potentiellement un bouleversement en cosmologie théorique et observationnelle.
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