Comment les supernovae aident à découvrir les mystères de l’énergie noire

2024-01-25 13:00:00

La plus grande composante de l’univers est quelque chose dont nous ne savons presque rien.

Les observations les meilleures et les plus précises que les cosmologistes ont recueillies au fil des décennies montrent que toute la matière qui nous entoure, chaque atome que nous voyons n’importe où dans le cosmos, ne représente que 5 % de tout ce qui existe. Un autre 27 pour cent est constitué de matière noire, qui maintient les galaxies ensemble. Et tout le reste – soit 68 % de l’univers – est constitué d’énergie sombre, une force responsable de l’expansion de l’univers.

Sans énergie noire, le taux d’expansion ralentirait avec le temps. Mais il est très clair que ce n’est pas le cas, et le taux d’expansion s’accélère. Il doit y avoir une sorte de force poussant cette expansion, et cette force inconnue est ce que nous appelons l’énergie noire.

Un nombre stupéfiant de 68 pour cent de l’univers est constitué d’énergie sombre.

C’est le plus grand constituant de l’univers et c’est un mystère. Mais pour un certain type de scientifique, cela fait de son étude un défi irrésistible.

Lors d’une réunion de l’American Astronomical Society au début du mois, les chercheurs ont présenté des données obtenues depuis une décennie à partir de l’échantillon de supernovae le plus grand et le plus uniforme jamais collecté. Les données faisaient partie du Dark Energy Survey, une collaboration internationale de plus de 400 astronomes travaillant ensemble pour percer les mystères de l’énergie noire.

L’analyse s’est concentrée sur une variété de supernovae appelées Type 1a. Ceux-ci sont particulièrement utiles aux astronomes car leur luminosité est hautement prévisible, ce qui les rend inestimables en tant que marqueurs kilométriques pouvant être utilisés pour mesurer avec précision la distance. En utilisant ces supernovae pour calculer la distance jusqu’aux galaxies lointaines, les scientifiques peuvent mesurer la vitesse à laquelle l’univers se développe et, espérons-le, en apprendre davantage sur l’étrange substance de l’énergie noire.

DES Collaboration/NOIRLab/NSF/AU

Des effets subtils à grande échelle

L’énergie noire constitue peut-être une grande partie de l’univers, mais ses effets sont subtils. Pour détecter son influence, les chercheurs doivent examiner d’énormes ensembles de données montrant les mouvements des galaxies à grande échelle. Il faut des outils très précis pour pouvoir détecter le type d’effets généralisés que l’énergie noire a sur les mouvements des galaxies.

«Pour effectuer ces mesures ultra précises, vous avez besoin des meilleures caméras et des meilleurs télescopes disponibles, au sol ou dans l’espace», a expliqué Maria Vincenzi de l’Université Duke, qui a codirigé l’analyse cosmologique de l’échantillon de supernova DES. « Construire ce type d’instruments représente un effort tellement monumental que cela ne peut être réalisé par un seul groupe ou par les ressources d’une seule université. »

L’énergie noire constitue peut-être une grande partie de l’univers, mais ses effets sont subtils.

C’est extrêmement utile pour obtenir des informations détaillées sur un objet, mais c’est aussi un processus très coûteux et long qui nécessite l’utilisation d’un télescope spécialisé tel que le télescope spatial James Webb.

Les recherches récentes ont adopté une approche différente. «Nous avons essayé de faire les choses d’une manière complètement différente», a déclaré Vincenzi. Ils ont utilisé une technique appelée photométrie, dans laquelle ils ont observé la lumière des objets et suivi l’évolution de la luminosité sur une période de quelques semaines, produisant des données appelées courbe de lumière.

Ils ont ensuite introduit ces courbes de lumière dans un algorithme d’apprentissage automatique, qui a été entraîné pour identifier les supernovae particulières qu’ils souhaitaient : les supernovae de type 1a.

L’aspect apprentissage automatique était essentiel car les différences entre les courbes de lumière des types de supernova peuvent être subtiles. «L’algorithme d’apprentissage automatique peut voir des choses que même un œil très exercé ne pourrait pas voir», a déclaré Vincenzi, tout en étant beaucoup plus rapide.

Cela a permis au groupe d’identifier un énorme échantillon d’environ 1 500 de ces supernovae sur l’ensemble de données de cinq ans, collecté à partir d’un seul instrument appelé Dark Energy Camera monté sur le télescope Víctor M. Blanco au Chili.

Le télescope Víctor M. Blanco au Chili CTIO/NOIRLab/NSF/AURA/D. Munizag

Une propriété de l’espace lui-même

Grâce à cet ensemble de données impressionnant, les chercheurs ont pu en savoir plus que jamais sur l’expansion de l’univers, et les résultats soutiennent un modèle largement répandu de l’univers qui est vraiment bizarre.

L’étrangeté réside dans la densité de l’énergie noire. Pour comprendre pourquoi c’est important, il est utile de commencer par réfléchir à quelque chose de plus familier : la matière.

« À mesure que l’univers s’étend, son volume augmente. Mais la quantité de matière ne l’est pas. C’est une constante de la matière totale. Donc, si le volume augmente et la matière constante, la densité diminuera », a expliqué Dillon Brout de l’Université de Boston, qui a codirigé l’analyse cosmologique.

« À mesure que l’univers s’étend, son volume augmente. Mais la quantité de matière ne l’est pas.

Jusqu’ici, tout va bien. Mais l’énergie noire n’est pas comme ça : elle a une densité constante au fil du temps. « À mesure que l’univers s’étend, la densité ne diminue pas. Vous obtenez une quantité totale d’énergie sombre proportionnellement plus grande », a déclaré Brout.

Cela signifie que l’énergie sombre semble être une propriété de l’espace lui-même, c’est pourquoi elle est aussi parfois appelée énergie du vide. « Si vous obtenez plus d’espace, vous obtenez plus d’énergie noire. Si la taille de l’univers augmente, vous obtenez juste la bonne quantité d’énergie noire, car c’est une propriété de l’espace lui-même », a déclaré Brout.

L’énergie noire ne ressemble à rien d’autre que nous connaissons dans la nature, c’est pourquoi certaines personnes sont sceptiques quant à cette théorie et pensent qu’il doit y avoir une autre explication au taux d’expansion de l’univers, comme par exemple une relativité générale fausse ou incomplète.

Mais de plus en plus, les cosmologistes s’accordent sur le fait que cette théorie de la densité constante de l’énergie sombre dans le temps, appelée matière noire froide Lambda, est la meilleure explication que nous ayons pour les observations que nous avons faites. La nouvelle recherche ne prouve pas définitivement que cette théorie est vraie, mais elle est cohérente avec elle.

Tir à la corde cosmologique

L’énergie noire peut être considérée comme l’une des faces d’une médaille cosmologique, la matière noire étant l’autre. Les deux forces s’opposent : l’une écarte les choses et l’autre les rapproche.

« La matière et la matière noire influencent l’univers grâce à leur gravité. La matière noire a donc tendance à ralentir l’expansion de l’univers, tandis que l’énergie noire a tendance à l’accélérer », a déclaré Brout. «C’est donc vraiment comme une lutte acharnée entre la matière noire, soumise à l’attraction de la gravité, et le caractère répulsif de l’énergie noire.»

«Cela a été époustouflant pour tous ceux qui travaillent dans ce domaine depuis vingt ans.»

Ce modèle signifie qu’à mesure que le temps passe et que l’univers s’étend, il y a de plus en plus d’énergie sombre. À des époques antérieures de l’histoire de l’univers, sa physique était dominée par la matière noire, car sa taille était plus petite et sa densité plus élevée. À mesure que l’univers s’agrandit, l’énergie noire est devenue dominante.

« L’énergie noire domine dans les parties de l’univers qui sont pour la plupart vides, sur les vastes distances entre les galaxies qui sont pour la plupart remplies d’espace vide. Dans les régions de la galaxie qui sont remplies de beaucoup plus de matière ou de matière noire, comme dans une galaxie ou dans le système solaire, nous ne ressentons ni ne voyons les effets de l’énergie noire », a expliqué Brout.

C’est en partie la raison pour laquelle l’énergie noire est si difficile à étudier : les chercheurs doivent observer les mouvements à grande échelle des galaxies pour en constater les effets.

Un écart béant

Si tout cela semble contre-intuitif et étrange, alors attachez votre ceinture, car il y a encore plus d’étrangeté à découvrir dans cette histoire.

Même si les scientifiques savent qu’il y a énormément d’énergie noire dans l’univers, ses effets sont relativement faibles. Même si cela entraîne l’expansion de l’univers, ce qui n’est pas sans conséquence, il existe un problème de longue date en cosmologie où ses effets sont plus faibles que ce que la théorie prédit – beaucoup plus faible.

En fait, les prédictions de la mécanique quantique, la théorie la plus largement répandue sur le fonctionnement de la matière à l’échelle atomique, affirment que l’énergie noire devrait être d’un ordre de grandeur plus forte qu’elle ne l’est.

« Si l’énergie noire est l’énergie du vide, la valeur que nous trouvons est de 120 ordres de grandeur inférieure aux attentes théoriques de la mécanique quantique. Et c’est tout simplement dingue », a déclaré Brout. «C’est parfois considéré comme l’écart le plus important entre la théorie et les observations dans toute la science.»

Mais si l’énergie noire était aussi puissante que le prédit la mécanique quantique, elle aurait dispersé la matière dans l’univers primitif, empêchant ainsi la formation des premières galaxies. Le développement de la vie telle que nous la connaissons dépend sans doute de la relative faiblesse de l’énergie noire.

Cet écart dans la valeur apparente de la constante cosmologique, qui fait partie de la relativité générale, est une question majeure pour la cosmologie. Il a même été décrit comme le « problème le plus embarrassant » de la physique.

Pour les chercheurs en énergie noire, cependant, cette divergence ahurissante est ce qui rend le sujet si fascinant et critique à étudier.

«Nous mesurons la matière noire et l’énergie noire, qui représentent 95 % de l’univers», a déclaré Brout. «Et mon Dieu, si nous ne comprenons pas 95 pour cent de l’univers, nous devons chercher et essayer de le comprendre.»

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