L'énergie sombre – le terme utilisé pour décrire tout ce qui fait que l'univers se dilate à un rythme croissant – est l'un des plus grands mystères de l'univers. La théorie la plus largement acceptée suggère actuellement que l'énergie sombre est constante, et l'énergie de l'espace vide entraîne une accélération cosmique.
Cependant, l'année dernière, les résultats de la Dark Energy Survey et de Dark Energy Spectroscopic Instrument ont déclenché l'excitation au sein de la communauté de la cosmologie en laissant entendre que l'énergie sombre peut réellement évoluer.
« Ce serait notre première indication que l'énergie sombre n'est pas la constante cosmologique introduite par Einstein il y a plus de 100 ans, mais un nouveau phénomène dynamique », a déclaré Josh Frieman, professeur émérite d'astronomie et d'astrophysique de l'Université de Chicago.
Dans un nouvel article publié dans Revue physique DFrieman et Anowar Shajib, un programme de bourses de la NASA Hubble Einstein Fellow en astronomie et astrophysique à Uchicago, combinent les données actuelles d'une multitude de sondes et constater que des modèles dynamiques d'énergie sombre en évolution peuvent mieux expliquer les données que la constante cosmologique. Si c'est le cas, leurs modèles trouvent qu'il peut y avoir une particule non découverte qui est de nombreux ordres de grandeur plus petits qu'un électron.
L'Université de Chicago s'est entretenue avec Shajib et Frieman des nouveaux modèles décrits dans leur article, des implications de ces résultats et de la prochaine étape.
Pourquoi l'énergie noire est-elle significative dans l'étude de l'univers?
Frieman: Nous savons maintenant précisément à quel point il y a de l'énergie sombre dans l'univers, mais nous n'avons aucune compréhension physique de ce que c'est. L'hypothèse la plus simple est que c'est l'énergie de l'espace vide lui-même, auquel cas il serait immuable dans le temps, une notion qui remonte à Einstein, Lemaitre, de Sitter et autres au début du siècle dernier.
C'est un peu gênant que nous ayons peu ou pas de moi de ce qu'est 70% de l'univers. Et quoi qu'il en soit, cela déterminera l'évolution future de l'univers.
Quelles conclusions récentes ont amené les cosmologues à considérer que l'énergie sombre peut évoluer?
Shajib: Bien qu'il y ait eu de l'intérêt pour la nature dynamique de l'énergie sombre depuis sa découverte dans les années 1990 pour résoudre certaines divergences d'observation, jusqu'à récemment, la plupart des ensembles de données majeurs et robustes étaient cohérents avec un modèle d'énergie noire non évolutive, qui est accepté comme la norme.
Cependant, l'intérêt de l'énergie sombre en évolution a été vigoureusement ravivé l'année dernière à partir de la combinaison de supernovae, d'oscillation acoustique baryon et de données de fond micro-ondes cosmiques de l'étude de l'énergie noire, d'instruments spectroscopiques d'énergie noire et d'expériences de Planck. Cette combinaison d'ensembles de données a indiqué une grande différence avec le modèle standard et non évolutif d'énergie sombre.
Frieman: Les données de ces enquêtes nous permettent de déduire l'histoire de l'expansion cosmique – à quel point l'univers s'est développé à différentes époques dans le passé. Si l'énergie sombre évolue dans le temps, cette histoire sera différente de celle si l'énergie sombre est constante.
Les résultats des antécédents de l'expansion cosmique suggèrent qu'au cours des derniers milliards d'années environ, la densité de l'énergie sombre a diminué d'environ 10% – pas beaucoup et bien moins que les densités d'autres matières et énergies, mais toujours significatives.
Quel était l'objectif de cette étude et quelles ont été les résultats globaux?
Shajib et Frieman: Le but de cette étude est de comparer les prédictions d'un physique Modèle d'énergie sombre en évolution avec les derniers ensembles de données et pour déduire les propriétés physiques de l'énergie sombre de cette comparaison.
Dans notre article, nous comparons directement les modèles basés sur la physique pour évoluer l'énergie sombre aux données et constatons que ces modèles décrivent mieux les données actuelles que le modèle d'énergie noire standard et non en évolution.
Nous montrons également que des enquêtes à proximité telles que l'instrument spectroscopique d'énergie noire et l'enquête sur l'héritage de l'observatoire Vera Rubin sur l'espace et le temps pourront nous dire définitivement si ces modèles sont corrects ou si, au lieu de cela, l'énergie sombre est vraiment constante.
Pourquoi les nouveaux modèles de votre étude expliquent-ils mieux le comportement de l'énergie sombre par rapport aux modèles existants?
Frieman: Ces modèles sont basés sur les théories de la physique des particules des particules hypothétiques appelées axions. Les axions ont d'abord été prédits par les physiciens dans les années 1970, qui ont cherché à expliquer certaines caractéristiques observées de fortes interactions. Aujourd'hui, les axions sont considérés comme des candidats plausibles à la matière noire, et les expériences du monde entier les recherchent activement, y compris les physiciens du Fermi Lab et de l'Université de Chicago.
Les modèles de notre article sont basés sur une version ultra-légère différente de l'Axion qui agirait comme une énergie sombre, pas une matière noire. Dans ces modèles, l'énergie sombre serait, en fait, constante pour les premiers milliards d'années d'histoire cosmique, mais l'axion commencerait alors à évoluer – comme une balle sur un champ en pente libéré du repos et commencera à rouler – et sa densité diminuerait lentement, ce que les données semblent préférer.
Les données suggèrent donc l'existence d'une nouvelle particule de nature qui est environ 38 ordres de grandeur plus légère que l'électron.
Quelles sont les implications de ces résultats pour comprendre l'expansion cosmique?
Shajib: Dans ces modèles, la densité d'énergie sombre diminue avec le temps. L'énergie sombre est la raison de l'expansion accélérée de l'univers, donc si sa densité diminue, l'accélération diminuera également avec le temps.
Si nous considérons l'avenir très loin de l'univers, différentes caractéristiques de l'énergie sombre peuvent conduire à différents résultats. Deux extrêmes de ces résultats sont une grande déchirure, où l'expansion accélérée elle-même accélère au point qu'elle déchire tout, même les atomes, et un grand croquant, où l'univers cesse de se développer à un moment donné et de reloclapses, qui ressemblera à un big bang inversé.
Nos modèles suggèrent que l'univers évitera ces deux extrêmes: il subira une expansion accélérée pendant plusieurs milliards d'années, ce qui donne un univers sombre et froid – un gros gel.
Qu'est-ce qui vous excite le plus dans ces résultats?
FRIEMAN: Lorsque nous avons commencé à travailler sur le Dark Energy Survey en 2003, notre objectif était de contraindre les propriétés de l'énergie sombre pour déterminer si elle était constante ou changeante.
Pendant deux décennies, les données ont indiqué qu'elle était constante. Nous avons presque abandonné cette question parce que les données ont systématiquement soutenu l'hypothèse. Cependant, nous avons maintenant le premier indice en plus de 20 ans que l'énergie sombre pourrait changer, et si elle évolue, ce doit être quelque chose de nouveau, ce qui changerait notre compréhension de la physique fondamentale. Ce sentiment rappelle où nous étions au début.
Il pourrait encore s'avérer que ces indices sont incorrects, mais nous pouvons être sur le point de répondre à cette question, et c'est assez excitant.
Shajib: Pour cet article, nous avons rassemblé tous les principaux ensembles de données – de l'enquête sur l'énergie noire, de l'instrument spectroscopique d'énergie noire, de Sloan Digital Sky Survey, de la cosmographie en retard de temps, du télescope de cosmologie de Planck et d'Atacama – et de les combiner pour obtenir la mesure la plus contraignante de l'énergie noire à ce jour.
Toutes ces mesures proviennent d'expériences approfondies, donc en quelque sorte, ils représentent les connaissances collectives que la communauté cosmologique a rassemblées dans son ensemble.
