L'énergie noire : la force derrière 68 % de l'univers

Environ 68 % de tout ce qui existe est quelque chose qu'aucun instrument n'a jamais détecté directement : l'énergie noire. Les cosmologistes évaluent actuellement la part de la matière noire à 27 % et celle de la matière ordinaire — celle des étoiles, des planètes et des humains — à seulement 5 %. Bien qu'elle surpasse en poids tout le reste réuni, l'énergie noire est restée sans nom et inaperçue jusqu'aux dernières années du vingtième siècle.

Cela a changé en 1998, lorsque deux équipes rivales étudiant des étoiles en explosion ont découvert que l'expansion de l'univers s'accélère au lieu de ralentir. Ce résultat était si inattendu qu'il a poussé les physiciens à revenir sur une idée qu'Albert Einstein avait introduite, puis abandonnée, des décennies plus tôt.

Cet article détaille ce que ces observations ont réellement montré, comment la lumière la plus ancienne de l'univers vient les confirmer, et pourquoi expliquer l'énergie noire reste considéré comme l'un des problèmes ouverts les plus difficiles de la physique.

La répartition 68/27/5 constitue le meilleur bilan actuel de la cosmologie sur tout ce qui existe, et elle continue d'être affinée à mesure que les instruments s'améliorent. Les données du satellite Planck de l'Agence spatiale européenne ont estimé la part de la matière noire à 26,8 %, soit près d'un cinquième de plus que ne le suggéraient les estimations antérieures — signe que même les chiffres « établis » de la cosmologie restent des cibles mouvantes.

Ce qui rend l'énergie noire étrange, c'est la manière dont elle domine le bilan cosmique tout en existant à peine. Sa densité s'élève à environ 7×10⁻³⁰ grammes par centimètre cube, soit l'équivalent d'environ 6×10⁻¹⁰ joules par mètre cube de masse-énergie — bien en dessous de ce qu'atteignent la matière ordinaire ou la matière noire lorsqu'elles sont concentrées à l'intérieur d'une galaxie. Elle l'emporte dans le bilan non pas en se concentrant quelque part, mais simplement en étant partout à la fois, de sorte que son effet total croît à mesure que l'univers lui-même grandit.

Bien avant que quiconque ne mesure une accélération, Einstein avait déjà élaboré l'outil mathématique qui finirait par la décrire. Il avait ajouté un terme supplémentaire à ses équations gravitationnelles spécifiquement pour permettre un univers statique et immuable, ce qui était l'hypothèse standard de son époque. Lorsque des observations ultérieures ont montré que le cosmos était en expansion, Einstein a rejeté sa propre correction, la qualifiant d'erreur.

Ce terme abandonné est resté largement oublié jusqu'à ce que le cosmologiste Michael S. Turner relance le concept sous une nouvelle appellation. Dans un article rédigé avec Saul Perlmutter et Martin White en 1998, Turner a inventé le terme « énergie noire » pour désigner la force à l'origine de l'accélération nouvellement découverte — réhabilitant ainsi l'idée même qu'Einstein avait rejetée.

La percée est survenue en 1998, lorsque deux groupes rivaux — le Supernova Cosmology Project d'un côté, le High-Z Supernova Search Team de l'autre — ont utilisé indépendamment des supernovae de type Ia lointaines pour suivre l'évolution du rythme de l'expansion cosmique sur des milliards d'années.

Ces supernovae particulières constituent des étalons cosmiques fiables en raison de la constance avec laquelle elles explosent. Elles se produisent lorsque la masse d'une naine blanche carbone-oxygène approche environ 1,44 masse solaire, le seuil au-delà duquel l'étoile ne peut plus se maintenir. Comme cette limite est presque identique d'une étoile à l'autre, les explosions qui en résultent atteignent une luminosité maximale comparable, ce qui a permis aux deux équipes de les utiliser pour évaluer les distances. Lorsque ces distances ont été comparées au décalage vers le rouge de la lumière, les chiffres ne prenaient sens que si l'expansion elle-même s'accélérait.

L'histoire de l'énergie noire passe aussi par la plus ancienne lumière que les astronomes puissent observer. Le fond diffus cosmologique a été découvert entièrement par hasard en 1965, lorsque deux chercheurs des laboratoires Bell, Arno Penzias et Robert Wilson, traquaient une source d'interférence radio et sont tombés à la place sur une faible lueur recouvrant tout le ciel.

Cette lueur est une image instantanée du cosmos telle qu'il était environ 375 000 ans après son origine, à une époque où tout n'était encore qu'une soupe chaude et dense de particules. Comme l'espace s'est étiré depuis lors, la lumière elle-même s'est étirée avec lui, se refroidissant jusqu'à des longueurs d'onde micro-ondes équivalentes à seulement 2,7 degrés au-dessus du zéro absolu aujourd'hui. En 1992, le satellite Cosmic Background Explorer de la NASA a découvert que cette lueur n'est pas parfaitement uniforme — elle présente d'infimes variations de température à travers le ciel, et c'est en cartographiant ces variations avec une précision toujours plus fine que les cosmologistes sont parvenus à la recette actuelle de 68/27/5.

Savoir que l'énergie noire existe est une chose ; expliquer ce qu'elle est réellement reste bien plus difficile. Une idée majeure la considère comme l'énergie intrinsèque de l'espace vide, le vide décrit par la théorie quantique des champs. Le problème est que lorsque les physiciens tentent de calculer la quantité d'énergie que ce vide devrait porter, le résultat dépasse largement ce qui est effectivement observé, d'environ 120 ordres de grandeur — un écart si énorme que certains chercheurs le classent comme le calcul le moins précis jamais réalisé en physique. Aucun ajustement des mathématiques n'a permis de combler cet écart, ce qui explique en grande partie pourquoi l'énergie noire est toujours considérée comme une affaire non résolue.

Si l'énergie noire n'est pas réelle, quelque chose d'autre doit expliquer l'accélération — et l'hypothèse alternative principale est que la théorie de la gravité d'Einstein elle-même cesse de fonctionner une fois les distances suffisamment grandes, permettant à l'espace de s'étirer plus vite que la gravité ne peut le retenir. Écarter cette possibilité a pris des décennies, et n'est devenu possible qu'une fois que les astronomes ont pu mesurer directement les ondes gravitationnelles.

GW170817, la première onde gravitationnelle confirmée également par des observations non gravitationnelles, a permis aux physiciens de mesurer la vitesse de la gravité avec une précision suffisante pour écarter bon nombre des théories de gravité modifiée proposées comme alternatives à l'énergie noire.

L'histoire n'est pas terminée. La collaboration Dark Energy Spectroscopic Instrument, dans un rapport publié en mars 2025, a constaté que l'intensité de l'énergie noire pourrait ne pas être constante après tout. En combinant les données d'oscillations acoustiques des baryons de l'instrument avec les mesures du fond diffus cosmologique, les relevés de lentilles gravitationnelles faibles et les catalogues de supernovae, l'équipe a trouvé des indices d'une énergie noire qui évolue dans le temps, avec un niveau de confiance statistique compris entre 2,8 et 4,2 sigma, selon les jeux de données combinés.

Ce résultat est intrigant mais pas encore définitif, ce qui maintient la véritable nature de l'énergie noire comme une question ouverte des décennies après que Turner lui a donné pour la première fois un nom.

• NASA : aperçu de WMAP
• ESA : Planck révèle un univers presque parfait
• Phys.org : la quête pour résoudre une énigme liée à la théorie d'Einstein
• Scientific American : la fin de la cosmologie ?
• Wikipédia : énergie noire
• Wikipédia : expansion accélérée de l'univers
• Wikipédia : constante cosmologique
• Wikipédia : supernova de type Ia