L’énergie sombre est une forme hypothétique d’énergie qui exerce une pression négative et répulsive, se comportant comme l’opposé de la gravité. On a émis l’hypothèse qu’elle pouvait expliquer les propriétés observationnelles des supernovae lointaines de type Ia, qui montrent que l’univers traverse une période d’expansion accélérée. Comme la matière noire, l’énergie noire n’est pas directement observée, mais plutôt déduite des observations des interactions gravitationnelles entre les objets astronomiques.
Crédit : Swinburne
L’énergie noire représente 72% de la densité masse-énergie totale de l’univers. L’autre contributeur dominant est la matière noire, et une petite quantité est due aux atomes ou à la matière baryonique.
En 1998, deux équipes d’astronomes ont annoncé que des supernovae lointaines, z~1 de type Ia étaient légèrement trop faibles par rapport aux prédictions du modèle d’un univers en expansion (mais qui ralentit). Pour être plus faibles, les supernovae doivent être plus éloignées, ce qui implique que l’expansion de l’Univers était plus lente dans le passé. Les deux équipes ont convenu que l’univers traverse une phase d’expansion accélérée. L’énergie sombre a été invoquée pour conduire cette accélération.
Au début du 20ème siècle, Albert Einstein avait invoqué une « constante cosmologique », (généralement symbolisée par la lettre grecque lambda, Λ). Il s’agissait d’une énergie du vide de l’espace vide, qui maintenait l’univers (prédit par ses équations de champ de la théorie générale de la relativité) statique, plutôt que de se contracter ou de s’étendre. Elle permettait d’équilibrer la contraction gravitationnelle causée par la matière. Une fois que l’on a observé que l’univers était en expansion, Einstein s’est empressé de supprimer sa constante cosmologique. Cependant, si l’énergie sombre est décrite par quelque chose de similaire à la constante cosmologique d’Einstein, elle ne se contente pas d’équilibrer la gravité pour maintenir un univers statique, mais exerce une pression négative pour provoquer l’accélération de l’expansion.
D’autres types d’énergie sombre ont été proposés, notamment un champ cosmique associé à l’inflation et un champ différent, de faible énergie, surnommé « quintessence ».
On pense que l’univers très ancien a également traversé une période d’expansion rapide, appelée inflation. L’inflation, qui s’est produite environ 10 à 36 secondes après le Big Bang, a eu pour effet de lisser l’univers et de le rendre géométriquement plat. Si la densité de l’univers est exactement égale à la densité critique, la géométrie de l’univers est plate comme une feuille de papier. Pour un univers dominé par la matière, la densité critique (équivalente à environ 6 protons par m3) se situe exactement entre la densité requise pour un univers lourd qui finira par s’effondrer et la densité requise pour un univers léger qui s’étendra éternellement. Lorsque les astronomes mesurent la quantité de matière et d’énergie dans l’univers aujourd’hui, ils ne parviennent qu’à environ 30 % de ce qui est nécessaire pour que l’univers soit plat. L’ajout de l’énergie sombre au bilan masse-énergie rend l’univers plat. La version la plus simple de l’inflation, prédit que la densité de l’univers est très proche de la densité critique.
Le vaisseau spatial WMAP a mesuré la géométrie de l’univers. Si l’univers était plat, les fluctuations du fond diffus cosmologique les plus brillantes (ou « taches ») auraient un diamètre d’environ 1 degré. WMAP a confirmé cette taille de tache avec une très grande précision. Nous savons maintenant que l’univers est plat avec seulement une marge d’erreur de 2%.
Crédit : P. Garnavich (Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics) et l’équipe de recherche de supernova High-z et la NASA
La quintessence vient des Grecs anciens qui utilisaient ce terme pour décrire un mystérieux » cinquième élément » – en plus de l’air, de la terre, du feu et de l’eau. Alors que la constante cosmologique est une forme spécifique d’énergie, une énergie du vide, la quintessence est dynamique, évolue dans le temps et est une forme d’énergie dépendante de l’espace. C’est un champ quantique doté d’une énergie cinétique et d’une énergie potentielle.
Selon le rapport de ces deux énergies et la pression qu’elles exercent, la quintessence peut s’attirer ou se repousser. Elle a une équation d’état (reliant sa pression p et sa densité ρ) de p = wρ, où w est égal à l’équation d’état de la composante énergétique dominant l’univers. Si w subit une transition vers moins de -1/3, cela déclenche une expansion accélérée. En revanche, une constante cosmologique est statique, avec une densité d’énergie fixe et w = -1.
Il existe un certain nombre de programmes en cours visant à en découvrir davantage sur l’énergie sombre. Une de ces études implique la mesure des oscillations acoustiques baryoniques (BAO).
Des alternatives à l’énergie sombre ont été proposées. Certains scientifiques ont proposé que notre Galaxie se trouve à l’intérieur d’une région de faible densité causée par le passage d’une onde de densité. Le Big Bang pourrait avoir créé cette onde à grande échelle dans l’espace-temps. En se déplaçant dans l’univers, cette onde primordiale a laissé derrière elle une ondulation de faible densité de plusieurs dizaines de millions d’années-lumière de diamètre, dans laquelle se trouve aujourd’hui la galaxie. Bien que possible, cette différence dans les propriétés de l’espace-temps violerait le principe copernicien qui stipule que l’univers, à grande échelle, est homogène.