L'énergie noire, slogan publicitaire ou réalité ?

De jeunes étoiles captées par le télescope Hubble. Celui avec lequel il a été prouvé que l'univers était en expansion. NASA/flickr, CC BY-SA

L'énergie noire, slogan publicitaire ou réalité ?

Un article récent paru dans Nature provoque une certaine excitation chez les amateurs de cosmologie : il paraît que l’énergie noire est dynamique ! Mais de quoi s’agit-il et qu’est ce que cela signifie ?

Une recherche sur arXiv.org, le site sur lequel les chercheurs déposent leurs pré-publications, révèle plus de 200 articles concernant l’énergie noire… rien que pour cette année. Il s’agit donc d’une véritable industrie, mobilisant des centaines de chercheurs. Elle est pourtant relativement récente, le terme étant apparu en 1998.

Selon la présentation désormais la plus courante, dont l’entrée Wikipédia est un excellent reflet, l’énergie noire est un type particulier d’énergie, uniformément répartie dans l’univers, et possédant la propriété paradoxale d’exercer une pression négative. Elle serait responsable de l’accélération de l’expansion de l’univers, et son existence avérée par ce phénomène. Elle constituerait même environ 68 % du contenu total en énergie de l’univers !

N’y voyez pas cependant une alternative aux énergies fossiles : elle est impossible à produire en laboratoire, et sa présence indécelable à nos échelles. Si sa contribution totale est majoritaire, c’est parce qu’elle est présente partout dans l’univers, contrairement à l’énergie « classique ».

Einstein au courant ?

Comme souvent, une approche historique s’avère éclairante. La cosmologie moderne repose sur les équations de la Relativité Générale, qu’Einstein a publié en 1916. Ses équations originelles peuvent s’écrire symboliquement sous la forme Courbure = Matière.

Le membre de gauche représente la courbure de l’espace-temps et le membre de droite le contenu de l’univers en énergie/matière (ces deux derniers étant équivalents, selon l’équation bien connue E=mc²).

Einstein s’est immédiatement aperçu qu’il était possible d’ajouter une constante au membre de gauche, ses équations s’écrivant alors Courbure + Constante = Matière.

Cette constante indéterminée risquant de nuire à la beauté de ses équations, il a considéré dans un premier temps qu’elle était nulle. Ses équations s’appliquent en particulier au système solaire, avec une précision supérieure à celles de Newton. Elles prédisent l’existence des trous noirs ainsi que des ondes gravitationnelles, récemment observées.

Toutes ces applications sont compatibles avec une valeur nulle de la constante. Mais les équations d’Einstein s’appliquent également à tout l’univers, c’est-à-dire qu’elles permettent de construire des modèles cosmologiques. Pour des raisons essentiellement philosophiques, Einstein croyait l’univers éternel et immuable. Il a donc essayé de construire un modèle statique, et s’est rendu compte à sa grande stupéfaction que ce n’était pas permis par ses équations.

Les physiciens ne s’accordent toujours pas sur la présence d’un terme cosmologique dans les équations d’Einstein. The Public Photos of Albert Einstein/Flickr, CC BY

Autrement dit, sans constante, soit l’univers est en contraction, soit il est en expansion. En revanche, une valeur non nulle bien précise de la constante autorise un univers statique. Dans ce but, Einstein réintroduisit en 1917 la fameuse constante, connue depuis lors sous le nom de « constante cosmologique ».

Hélas pour lui le modèle ainsi construit est instable, et n’est donc pas physiquement réaliste. Pire, Hubble observa en 1929 que l’univers est en expansion.

Si Einstein n’avait pas réintroduit la constante cosmologique, il aurait pu, sur la base de ses équations originelles, prédire que l’univers n’était pas statique, ce qui n’aurait pas manqué d’être interprété à l’époque comme la plus belle confirmation de ses théories. C’est ce qu’il a appela « la plus grande bêtise de sa vie ».

Cependant, rappelons-le, il n’y a pas de raison scientifique a priori pour que la constante cosmologique soit nulle, et même en sa présence, l’univers ne peut pas être statique de façon réaliste. Si on élimine toute considération esthétique, les équations d’Einstein s’écrivent bien sous la forme : Courbure + Constante Cosmologique = Matière.

La pire prédiction de l’histoire

Tout ce qu’on peut dire c’est que les observations à l’échelle du système solaire montrent que la valeur de la constante est faible. On peut également montrer que cette constante produit, selon son signe, une accélération ou un ralentissement de l’expansion cosmique. Enfin, il peut être tentant de passer la constante de l’autre côté du signe égal, afin de l’identifier à une forme d’énergie ou de matière.

Cependant, on s’aperçoit alors que cette énergie exerce une pression négative. On pourrait froidement en conclure que la constante cosmologique ne s’identifie pas à une forme d’énergie. Mais c’est sans compter sur la théorie quantique des champs.

Selon cette théorie, le vide possède une forme d’énergie à pression négative. Il est alors tentant d’identifier la constante cosmologique à l’énergie du vide. Mais les calculs montrent que l’effet gravitationnel de l’énergie du vide, s’il existait, différerait de celui de la constante cosmologique par… 123 ordres de grandeur ! Ce que d’aucuns ont appelé la prédiction la plus mauvaise de toute la physique. Les choses en restèrent là jusqu’à ce qu’en 1998 quand on découvre que non seulement l’univers était en expansion, mais que cette expansion était accélérée.

La conclusion la plus sobre aurait été que les équations d’Einstein de 1917, avec une valeur faible mais non nulle de la constante étaient (une fois de plus) validées. Au lieu de cela, on a imaginé le terme d’énergie noire pour expliquer l’accélération de l’expansion, en réécrivant les équations sous la forme : Courbure = Matière + Énergie noire.

Physique et marketing

La valeur publicitaire de l’opération n’est pas à démontrer, étant donné son succès (qui n’est pas sans rappeler celui de trou noir, big bang, ou matière noire). Les partisans de cette reformulation font également remarquer qu’il n’est pas exclu qu’une forme d’énergie exotique existe et soit la vraie responsable de l’accélération.

Le terme Énergie noire est ainsi perçu comme plus général que la constante cosmologique, cette dernière étant, par un curieux retournement, désormais identifiée à une forme particulière d’énergie noire (c’est ainsi que l’article de Wikipédia est rédigé).

Certes, rien n’est exclu. Mais même si une forme d’énergie exotique était un jour découverte, cela ne donnerait pas plus de raison d’annuler la constante cosmologique qu’en 1916 !

Il faudrait alors écrire les équations sous la forme Courbure+Constante Cosmologique=Matière + Énergie exotique. Si l’on procède ainsi, l’honnêteté oblige à reconnaître que toutes les observations jusqu’en 2017 sont compatibles avec une valeur nulle du terme exotique… Bien sûr cela obligerait à supprimer le terme dark energy des titres d’articles, et à le remplacer par le bien moins vendeur cosmological constant

Une constante variable ?

J’ai écrit « jusqu’en 2017 » précisément à cause de l’article de Nature cité en début d’article, parlant d’énergie noire dynamique, c’est à dire dont la densité varie dans le temps. Comme il est dans la nature d’une constante de ne pas varier dans le temps, si une telle forme dynamique d’énergie noire était effectivement découverte, on pourrait en conclure que la constante cosmologique n’est pas seule responsable de l’accélération de l’expansion, autrement dit que le terme exotique n’est pas nul.

Les auteurs ne sont cependant pas si affirmatifs. Ils se contentent de constater qu’il existe des tensions entre le modèle cosmologique standard et les données les plus récentes, et que ces tensions sont allégées si on permet une variation dans le temps de la densité d’énergie noire, ce qui n’est guère étonnant puisque cela revient à compliquer le modèle…

Toutefois, qu’il me soit permis de conclure en rappelant que l’apaisement des tensions entre les données et la théorie n’est historiquement jamais venu d’un bricolage des équations, ni d’un ajout à la main de champs inconnus et autres substances exotiques, mais de davantage de réflexion théorique, qui repose sur la clarté conceptuelle, ce qui, in fine, suppose d’appeler un chat un chat et une constante une constante.