Un autre problème de taille va à l'encontre de la théorie qui avait permis à Einstein de proposer ses équations en 1917. La physique est régie par les mathématiques et bien souvent, les mathématiques nous offrent plusieurs choix de réponses. Par exemple, si x 2 = 1, x peut alors être égal à +1 ou à -1. Einstein a pu introduire une constante dans ses équations, la constante cosmologique ou Lambda. Au début, il décida de l'inclure pour une raison particulièrement intéressante.
Sir Isaac Newton
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Newton, inventeur de la première théorie sur la gravité au 17ème siècle, savait que la théorie d'un Univers gouverné par la gravité posait problème. La raison est qu'un ensemble de masses dans l'espace est instable. Ces masses sont vouées à être attirées les unes par les autres et à s'effondrer. La seule parade consiste à leur fournir une certaine énergie pour qu'elles s'éloignent, au contraire. Déjà entendu cela quelque part ?
En 1917, malgré tout, Einstein (et toute la communauté scientifique) pensait que l'Univers était statique, et qu'il ne connaissait ni expansion, ni effondrement. Sans la constante cosmologique Lambda, les équations d'Einstein contredisaient l'existence d'un univers statique. Avec cette constante, tout était possible, et la solution d'un univers statique devenait viable. Jusque là, tout va bien, mais avec la découverte de l'expansion de l'Univers en 1923, Einstein jeta aux orties sa constante cosmologique et la décrivit comme la plus grosse bêtise de sa vie.
La constante cosmologique a rendu possible la théorie d'un Univers stable, car elle s'appuie sur l'hypothèse de l'existence d'une force antigravitationnelle uniformément répartie dans l'espace, qui exercerait une répulsion plutôt qu'une attraction. Elle équilibrerait la tendance attractive menant à l'effondrement des masses « réelles ». Le seul problème, c'est qu'il n'existait aucune autre preuve de l'antigravité et Einstein a certainement trouvé embarrassant de l'intégrer à sa théorie juste pour qu'elle conforte les observations du moment. Cependant, la constante cosmologique avait droit de cité, d'un point de vue mathématique, et il s'avère que les mathématiques savaient quelque chose qu'aucune autre branche scientifique ne semblait admettre.
Pendant une décennie, une autre branche de la physique a émis l'idée qu'il pouvait bien exister une force répulsive dans l'espace vide. La physique quantique est le nom de cette branche issue des lois de Newton sur le mouvement et qui étudie tous les éléments de la taille d'un atome. Les idées qui sous-tendent la théorie quantique sont bien plus étranges que celles qui ont donné naissance au concept de la relativité. En plus de fournir des explications quasi parfaites sur le fonctionnement d'objets familiers, comme les lampes fluorescentes et les scanners, la théorie quantique a des choses très bizarres à dire sur l'espace vide.
Par « espace vide » ou « vide quantique », les physiciens entendent la même chose que vous, à savoir que l'espace vide ne contient rien. Hélas pour le sens commun, la théorie quantique nous informe que l'espace vide a une masse. C'est en partie la conclusion de la constante cosmologique. Jusque là, pourquoi pas ? Il n'y a aucune raison de s'attendre à ce que l'espace vide soit en état d'apesanteur. Après tout, si vous essayez de peser quelque chose, il y aura autant d'espace vide d'un côté comme de l'autre de la balance ! Mais dans le cas de l'Univers, la masse de l'espace vide peut avoir son importance.
La seule chose que je ne puisse pas vous expliquer est que la masse de l'espace vide présente un effet gravitationnel négatif (répulsion). Elle accélère le phénomène d'expansion de l'Univers au lieu de le ralentir (comme dans l'exemple de la pierre que vous lancez). Cela fait partie des choses difficiles à expliquer sans recourir aux mathématiques. Cette observation s'inscrit dans la lignée de la théorie de la relativité d'Einstein, mais également par une voie complètement différente, de la théorie quantique. Dans ces deux cas, la nature de l'espace vide est vraiment inhérente à la manière dont les théories ont été élaborées. L'étrange idée que l'espace vide exerce une force répulsive n'a pour l'instant aucune explication.
Il est toutefois possible de mesurer quelques effets de l'espace vide dans un laboratoire et les réponses deviennent alors évidentes. Malheureusement, il est impossible de mesurer la masse à l'échelle d'un laboratoire et la théorie quantique (bien que certains pronostics soient exacts) complique les choses tout en essayant de prédire des effets dans leur globalité. En fait, la marge d'erreur de ces prévisions correspond au minimum à un facteur de 10140, soit dix suivi de 140 zéros. Une erreur fondamentale ! Ces prévisions sont liées aux lacunes héritées des prémices de la théorie quantique. Mais ces prévisions et expériences ont donné quelques raisons de croire en la constante cosmologique, indépendamment des équations d'Einstein et des problèmes d'expansion des univers.
Si l'espace vide présente une masse, deux conséquences en découlent. Tout d'abord, sa masse aura un effet sur Omega et jouera ainsi un rôle dans la résolution de la question d'un Univers fini ou infini. Le second point est plus complexe. L'espace vide est régi par deux lois : l'attraction et la répulsion. Même si avec Omega, nous pouvons tenir compte de la masse, comme pour toute matière ordinaire, la « répulsion » a un effet supplémentaire. Elle accélère l'expansion de l'Univers. Comme l'Univers s'étend, l'espace s'accroît et par conséquent l'espace vide aussi, ainsi que les forces de « répulsion » qu'il comporte. Par conséquent, si on admet l'hypothèse de la constante cosmologique, il est probable que l'expansion de l'Univers s'accélère.
Incidemment, cette aptitude de l'espace vide à s'accroître de manière exponentielle est sans doute à l'origine du Big Bang ! Pour en savoir plus, accédez à la page Liens. Tout nous ramène à notre meilleure hypothèse (théorique) d'un Omega égal à 1,0.
Il semble que les astronomes soient sur le point de mesurer cet effet. Cela fait plusieurs décennies qu'ils s'y emploient mais il semble maintenant qu'ils aient atteint le résultat.
Il est relativement simple (bizarrement) de mesurer l'âge qu'avait l'Univers au moment où la lumière que nous percevons aujourd'hui était émise par une galaxie distante spécifique. La lumière devient plus rouge car la galaxie s'éloigne de nous dans l'expansion cosmique. La détermination de ce rougeoiement ou décalage vers le rouge constitue une mesure simple à réaliser, bien que la collecte des données pour des objets faiblement lumineux puisse prendre un certain temps. Le décalage vers le rouge établit l'heure cosmique à laquelle la lumière a été émise. L'autre mesure que nous pouvons évaluer est l'éloignement de notre galaxie distante, en comparant sa luminosité avec celle d'une galaxie semblable, mais plus proche. Ces deux mesures (distance et décalage vers le rouge) sont suffisantes pour décoder le mystère de l'expansion de l'Univers. Si l'expansion s'accélère, les distances par rapport aux objets qui ont émis de la lumière dans l'histoire de l'Univers augmentent. Ces distances sont plus importantes que si l'expansion de l'Univers était en phase de décélération ou de stabilisation. La forme relative de la courbe distance-décalage vers le rouge en apporte la preuve.
Ce graphique est repris d'un article de S. Perlmutter et de ses collègues*. Il représente la courbe de la distance qui sépare une supernova de la Terre par rapport à son éclat. Les deux courbes illustrent deux types d'Univers, avec des quantités de matière et une constante cosmologique différentes.
La courbe rouge correspond à un univers quasiment exempt de matière réelle, mais avec une constante cosmologique suffisamment élevée pour obtenir (tout juste) un univers fini. La courbe verte s'apparente à son contraire, sans constante cosmologique, mais avec suffisamment de matière réelle pour clore l'Univers.
* Perlmutter et al., 1999, Omega and Lambda from 42 High-Redshift Supernovae, Astrophysical Journal, V 517, p. 565. |
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La partie la plus ardue de ce projet a été de découvrir un objet, c'est-à-dire une galaxie, qui soit
- suffisamment brillante pour être vue à une distance extraordinaire
- d'une luminosité identifiée
- immuable, même dans le temps cosmique.
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Il y a très longtemps, à des millions d'années-lumière, une étoile a explosé. Supernova 1994D, point lumineux visible en bas à gauche, est née dans la périphérie de la galaxie NGC 4526.
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Les galaxies, par exemple, étaient plus brillantes par le passé (lorsqu'elles créaient des étoiles) et sont de ce fait hors course.
Ces étoiles qui explosent, connues sous le nom de supernovae, sont particulièrement adaptées à ce type d'étude. Certaines étoiles meurent dans une explosion apocalyptique, à l'image d'une bombe thermonucléaire géante. Des décennies d'observations minutieuses ont permis d'établir qu'une certaine variété de supernovae, particulièrement reconnaissable, permettait d'étalonner les distances cosmiques. Depuis, des équipes d'astronomes scrutent les cieux avec des télescopes géants, utilisant des ordinateurs puissants pour rechercher, parmi des millions d'images enregistrées, quelques supernovae distantes. Jusque là, ils en ont trouvé trois douzaines en six ans. |
Dans ce graphique, les données actuelles observées par Perlmutter sont superposées aux courbes représentant les deux versions de l'Univers.
Vous pouvez constater que les données suivent davantage la courbe rouge que la verte. Les points importants à noter sont le faible écart entre les courbes, qui représentent des univers différents, et le regroupement des décalages vers le rouge des supernovae, à l'extrémité des courbes. C'est la preuve de l'existence de la constante cosmologique.
* Perlmutter et al., 1999, Omega and Lambda from 42 High-Redshift Supernovae, Astrophysical Journal, V 517, p. 565. |
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Une fois de plus, non !
Tout d'abord, pour la même raison qu'auparavant : trois douzaines de supernovae extrêmement peu lumineuses constituent un échantillon relativement restreint et ne peuvent en aucun cas permettre de tirer une conclusion pour une branche aussi complexe de la science. Les questions sur ces données ne manquent pas. La matière noire en est un exemple.
Ensuite, il y a le fait que la théorie quantique est capable d'étalonner la constante cosmologique et, ainsi d'évaluer l'Omega qui lui est associée. Les hypothèses de la théorie quantique sont ridiculement erronées et ce, dans des proportions énormes, mais au moins elles ont le mérite d'offrir des pronostics. Résoudre cet écart est désormais d'une importance universelle. La théorie quantique, la physique de l'infiniment petit (atomes et électrons) cherche à expliquer l'Univers. Au bout du compte, cette théorie réussira-t-elle à apporter une réponse ? Continuez à observer le ciel, on ne sait jamais ! |
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