Les physiciens s’efforcent de comprendre pourquoi l’énergie noire s’affaiblit. Chose surprenante, nous devons maintenant reconsidérer la possibilité que notre réalité contienne des dimensions supplémentaires.
L'année dernière, des cosmologistes travaillant sur l'instrument spectroscopique de l'énergie noire (DESI) ont rapporté des indices selon lesquels la mystérieuse énergie noire, censée être à l'origine de l'expansion de l'univers, pourrait s'affaiblir avec le temps. Si ces découvertes surprenantes s’avèrent correctes, alors l’énergie noire ne peut pas être une constante cosmologique – un terme fixe dans nos équations qui représente l’énergie de l’espace vide – après tout. Lorsque cette bombe a frappé, l’essentiel du buzz s’est concentré sur ce que cela signifie pour le modèle standard de cosmologie, connu sous le nom de lambda-CDM, notre meilleure tentative pour expliquer l’évolution de l’univers.
Si les résultats se confirment, nous pourrions enfin disposer des indices nécessaires pour élaborer une meilleure théorie. Les chercheurs s’efforcent déjà de repenser l’énergie noire, et peut-être aussi la matière noire et la gravité.
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Mais si la force de l’énergie noire diminue réellement au fil du temps cosmique, les implications pourraient être bien plus larges et plus profondes. Plus large, dans le sens où cela pourrait donner un nouvel élan aux partisans de cosmologies alternatives qui changent notre compréhension du destin de l’univers. Et plus profondément, car cela pourrait même nous dire quelque chose de profond sur la structure la plus profonde de l’espace-temps. « Il existe certainement des possibilités très, très intéressantes pour changer beaucoup de choses en physique », déclare Eric Linder, physicien et cosmologue à l'Université de Californie à Berkeley.
Selon lambda-CDM, dans ses premiers instants, l’univers a subi une période d’expansion exponentielle d’une fraction de seconde. Connue sous le nom d’inflation, cette explication semble expliquer pourquoi l’univers est si lisse, plat et homogène à ses plus grandes échelles. Mais l’inflation a ses critiques, au premier rang desquels Paul Steinhardt, physicien à l’Université de Princeton. « L'inflation ne fonctionne pas », dit-il sans ambages, ajoutant qu'elle nécessite des conditions initiales improbables, qu'elle est trop flexible et qu'elle conduit à un scénario multivers que beaucoup trouvent invraisemblable.
Un univers cyclique
Steinhardt défend depuis longtemps une hypothèse alternative connue sous le nom d’univers cyclique, dans laquelle l’univers s’étend, se contracte et rebondit sans fin. Toutefois, pour que de tels modèles fonctionnent, l’énergie noire doit évoluer.
« Il doit s'agir d'une sorte d'énergie noire en décomposition qui cesse d'accélérer l'expansion de l'univers, commence à la ralentir et finit par provoquer une contraction, conduisant à un rebond et à un nouveau cycle », explique Steinhardt. Au moins la première partie de ce constat – à savoir que l’accélération de l’expansion ralentit – est précisément ce que nous semblons constater avec les données DESI.
Cela ne veut pas dire que les résultats du DESI fournissent la preuve de cosmologies cycliques. Nous pouvons encore trouver des erreurs systémiques dans les mesures et les analyses, et il est tout à fait possible que l’énergie noire s’affaiblisse sans jamais produire de contraction ou de rebond. Cependant, si les indices d’énergie noire en décomposition se confirmaient, cela donnerait du crédit à l’argument de longue date de Steinhardt. «J'ai tendance à être très conservateur et très patient», dit-il. « Ce que je dirais, cependant, c'est que maintenant le jeu est en marche. »
La même chose pourrait être dite pour une autre idée controversée qui a reçu un coup de pouce grâce aux résultats du DESI. D'une manière générale, la théorie des cordes dit que tout est finalement constitué de cordes extrêmement petites, compactées en dimensions supplémentaires cachées, dont les vibrations se manifestent sous la forme de diverses particules et forces que nous discernons. Elle a pris de l'importance dans les années 1980 parce qu'elle semblait offrir une voie vers une théorie de la gravité quantique, réconciliant la théorie quantique et la relativité générale dans ce que certains appellent une théorie du tout.
Un univers cyclique connaîtrait une série de fins et de débuts
Mais les théoriciens des cordes ont longtemps eu du mal à construire des modèles de l’univers avec une petite constante cosmologique positive. Dans une série d'articles publiés en 2018 et 2019, le physicien théoricien Cumrun Vafa de l'Université Harvard et ses collègues se sont appuyés sur un ensemble de propositions connues sous le nom de conjectures de Swampland, qui visent à distinguer les théories des particules, des forces et de l'espace-temps qui peuvent découler d'une théorie cohérente de la gravité quantique de celles qui ne le peuvent pas. En utilisant ce cadre, ils ont suggéré que l’énergie noire ne peut pas être une constante cosmologique mais doit plutôt être une sorte de champ – similaire à celui qui aurait provoqué l’inflation – dont l’énergie change avec le temps.
À l’époque, une telle proposition était en contradiction avec la croyance de longue date selon laquelle l’énergie noire restait la même au fil du temps cosmique. « Les gens disaient : 'La théorie des cordes est exclue parce que l'énergie noire est une constante' », explique Vafa.
Cotes cachées
Mais lui et ses collègues ont persisté. En 2022, ils ont proposé un modèle dans lequel l’espace-temps possède une grande dimension supplémentaire cachée, peut-être aussi grande qu’un micromètre, dont la taille change progressivement au fil du temps cosmique. À mesure que la géométrie de cette dimension change, la quantité d’énergie que nous observons dans l’univers change également. Les chercheurs ont fait valoir que cela se manifesterait sous la forme d’une énergie sombre qui s’affaiblirait lentement. « Il n'y a rien d'exotique (ici) du point de vue de la théorie des cordes », explique Vafa. « La dimension supplémentaire est en train de changer, et l'énergie noire et la matière noire y réagissent. »
Il est facile de comprendre pourquoi les résultats du DESI intriguent les théoriciens des cordes : Vafa et ses collègues avaient prédit que l’énergie noire devrait s’affaiblir progressivement, et c’est maintenant ce que nous constatons. En effet, lorsque Vafa et son équipe ont analysé les données DESI combinées à d’autres ensembles de données cosmologiques en 2025, ils ont constaté que leur modèle s’adaptait bien mieux que le lambda-CDM et à peu près aussi bien que les meilleurs modèles conventionnels permettant à l’énergie noire d’évoluer. La différence ici, dit-il, est que leur modèle inclut une explication physique de ce que nous voyons. «C'est pourquoi je suis si excité», dit-il. « C'est très satisfaisant. »
Pour être clair, les résultats du DESI n’offrent aucune preuve concrète de la théorie des cordes. Pour commencer, la mesure dans laquelle ils préfèrent l’évolution de l’énergie noire à une constante cosmologique dépend toujours des autres ensembles de données cosmologiques avec lesquels ils sont combinés. De plus, les modèles non filandreux qui n'invoquent pas de dimensions supplémentaires cachées s'adaptent tout aussi bien aux données existantes.
Mais si nous supposons un instant que les données DESI tiennent le coup et que la signification statistique augmente jusqu'au niveau de la découverte, la preuve d'un affaiblissement éliminerait non seulement un obstacle empirique à la théorie des cordes, mais affaiblirait également l'argument selon lequel la théorie des cordes n'offre pas de prédictions testables. «Nous avons imaginé ce modèle il y a des années», explique Vafa. « Maintenant, ils l'observent, et cela ressemble exactement à ce à quoi nous nous attendions. »
Les dimensions cachées prédites par la théorie des cordes pourraient réellement exister
Toutefois, pour concrétiser l’idée selon laquelle cela pourrait fournir des preuves observationnelles à l’appui de la théorie des cordes, des théoriciens comme Vafa devraient construire un modèle plus précis qui fasse des prédictions plus précises, distinctes des alternatives non filandreuses, et montrer qu’il s’adapte mieux que d’autres options à l’ensemble des données cosmologiques. Curieusement, le cadre fait déjà allusion à des signatures testables supplémentaires, notamment des écarts par rapport à l’image standard de l’évolution de la matière noire et des écarts par rapport à la relativité générale à l’échelle micrométrique.
Certains cosmologistes ne sont pas convaincus que les résultats du DESI aient une quelconque incidence sur la physique fondamentale, même s'ils se confirment. « L'énergie noire fonctionne à certaines échelles, et c'est de cela dont nous pouvons parler », explique Pedro Ferreira, cosmologue et astrophysicien à l'Université d'Oxford. « (En ce qui concerne) ce qui se passe aux niveaux quantiques, je ne pense pas que nous puissions y aller. »
Mais d’autres sont ouverts à la possibilité que ces indices puissent avoir des répercussions bien au-delà de la cosmologie, notamment parce qu’ils pourraient nous donner un premier aperçu de la structure quantique profonde de l’espace-temps. « Ce que Cumrun Vafa a proposé, c'est la chose la plus intéressante que j'ai vue », déclare Mike Turner, cosmologue à l'Université de Chicago dans l'Illinois. « C'est là que la cosmologie et la physique des particules se rejoignent. Nous explorons des choses vraiment fondamentales, donc les effets d'entraînement peuvent être énormes. »
