Pourquoi l'univers se développe-t-il à un rythme accéléré, étalant son contenu sur des dimensions toujours plus grandes de l'espace? Une solution originale à ce casse-tête, certainement la question la plus fascinante de la cosmologie moderne, a été proposée par quatre physiciens théoriciens, Edward W. Kolb du Fermi National Accelerator Laboratory du Département américain de l'Énergie, Chicago (États-Unis): Sabino Matarrese de l'Université de Padova; Alessio Notari de l'Université de Montréal (Canada); et Antonio Riotto de l'INFN (Istituto Nazionale di Fisica Nucleare) de Padoue (Italie). Leur étude a été soumise hier à la revue Physical Review Letters.
Au cours des cent dernières années, l'expansion de l'univers a fait l'objet de discussions passionnées, engageant les esprits les plus brillants du siècle. Comme ses contemporains, Albert Einstein a d'abord pensé que l'univers était statique: qu'il ne s'était ni agrandi ni rétréci. Lorsque sa propre théorie de la relativité générale a clairement montré que l'univers devait s'étendre ou se contracter, Einstein a choisi d'introduire un nouvel ingrédient dans sa théorie. Sa «constante cosmologique» représentait une densité de masse d'espace vide qui poussait l'univers à s'étendre à un rythme toujours croissant.
Lorsqu'en 1929, Edwin Hubble a prouvé que l'univers est en fait en expansion, Einstein a répudié sa constante cosmologique, la qualifiant de «la plus grande bévue de ma vie». Puis, près d'un siècle plus tard, les physiciens ont ressuscité la constante cosmologique dans une variante appelée énergie sombre. En 1998, des observations de supernovae très éloignées ont démontré que l'univers se dilate à un rythme accéléré. Cette expansion accélérée ne semblait s'expliquer que par la présence d'une nouvelle composante de l'univers, une «énergie sombre», représentant environ 70% de la masse totale de l'univers. Du reste, environ 25% semblent être sous la forme d'un autre composant mystérieux, la matière noire; tandis que seulement 5% environ sont constitués de matière ordinaire, les quarks, protons, neutrons et électrons dont nous et les galaxies sont constitués.
"L'hypothèse de l'énergie sombre est extrêmement fascinante", explique Antonio Riotto de Padoue, "mais d'un autre côté, cela représente un problème grave. Aucun modèle théorique, pas même le plus moderne, comme la supersymétrie ou la théorie des cordes, n'est en mesure d'expliquer la présence de cette mystérieuse énergie sombre dans la quantité requise par nos observations. Si l'énergie sombre était de la taille que les théories prédisent, l'univers se serait étendu avec une vitesse si fantastique qu'il aurait empêché l'existence de tout ce que nous savons dans notre cosmos. »
La quantité requise d'énergie sombre est si difficile à concilier avec les lois connues de la nature que les physiciens ont proposé toutes sortes d'explications exotiques, y compris de nouvelles forces, de nouvelles dimensions de l'espace-temps et de nouvelles particules élémentaires ultra-légères. Cependant, le nouveau rapport ne propose aucun nouvel ingrédient pour l'univers, seulement une prise de conscience que l'accélération actuelle de l'univers est une conséquence du modèle cosmologique standard pour l'univers primitif: l'inflation.
«Notre solution au paradoxe posé par l'accélération de l'univers», dit Riotto, «repose sur la soi-disant théorie inflationniste, née en 1981. Selon cette théorie, dans une infime fraction de seconde après le Big Bang, l'univers expérimenté une expansion incroyablement rapide. Cela explique pourquoi notre univers semble être très homogène. Récemment, les expériences Boomerang et WMAP, qui ont mesuré les petites fluctuations du rayonnement de fond provenant du Big Bang, ont confirmé la théorie inflationniste.
Il est largement admis que pendant l’expansion inflationniste au début de l’histoire de l’univers, de très petites ondulations dans l’espace-temps se sont produites, comme le prédit la théorie de la relativité générale d’Einstein. Ces ondulations ont été étirées par l'expansion de l'univers et s'étendent aujourd'hui bien au-delà de notre horizon cosmique, c'est-à-dire sur une région beaucoup plus grande que l'univers observable, une distance d'environ 15 milliards d'années-lumière. Dans leur article actuel, les auteurs proposent que c'est l'évolution de ces ondulations cosmiques qui augmente l'expansion observée de l'univers et explique son accélération.
"Nous avons réalisé qu'il vous suffit d'ajouter ce nouvel ingrédient clé, les ondulations de l'espace-temps générées à l'époque de l'inflation, à la relativité générale d'Einstein pour expliquer pourquoi l'univers s'accélère aujourd'hui", explique Riotto. «Il semble que la solution au puzzle de l'accélération implique l'univers au-delà de notre horizon cosmique. Aucune énergie sombre mystérieuse n'est requise. »
Kolb du Fermilab a appelé la proposition des auteurs l'explication la plus conservatrice de l'accélération de l'univers. "Cela ne nécessite qu'une juste prise en compte des effets physiques des ondulations au-delà de notre horizon cosmique", a-t-il déclaré.
Les données des expériences à venir permettront aux cosmologistes de tester la proposition. "Qu'Einstein ait eu raison lorsqu'il a introduit la constante cosmologique pour la première fois, ou qu'il ait eu raison lorsqu'il a ensuite réfuté l'idée sera bientôt testé par une nouvelle série d'observations cosmologiques de précision", a déclaré Kolb. «De nouvelles données nous permettront bientôt de faire la distinction entre notre explication de l'expansion accélérée de l'univers et la solution de l'énergie sombre.»
L’INFN (Istituto Nazionale di Fisica Nucleare), l’Institut national italien de physique nucléaire, soutient, coordonne et mène des recherches scientifiques en physique subnucléaire, nucléaire et astroparticulaire et participe au développement de technologies pertinentes.
Le Fermilab, à Batavia, Illinois, États-Unis, est géré par l'Universities Research Association, Inc. pour le bureau des sciences du Département de l'énergie, qui finance des recherches avancées en physique des particules et en cosmologie.
Source d'origine: Istituto Nazionale di Fisica Nucleare
