Énergie noire, ce mystère qui défie la cosmologie

L’Univers s’est formé il y a environ 13,8 milliards d’années, à partir d’un point très dense et chaud qui est soudainement entré en expansion. C’est du moins ce que décrit la théorie du Big Bang. Dans les instants qui ont suivi, cet univers primordial a commencé à se refroidir, offrant des conditions propices à l'apparition des constituants de base de la matière, les quarks et les électrons, qui se sont très vite regroupés pour former les noyaux des futurs atomes, puis, quelques centaines de milliers d'années plus tard, les premiers atomes. Progressivement, cette matière s’est ensuite étendue et organisée jusqu’à donner naissance aux premières étoiles et galaxies et à toutes les structures que l’on connaît aujourd’hui. Depuis sa formation, l’Univers n’a donc eu de cesse d’évoluer. Mais comment ces étapes se sont-elles déroulées ? Et quels mécanismes animent cet immense ensemble ? Voici quelques-unes des questions auxquelles la cosmologie tente de répondre pour reconstituer le puzzle de cette histoire . Et ce puzzle comporte bien des inconnues, dont certaines n’ont fait leur apparition que récemment. L’énergie noire (ou sombre) est l’une d’entre elles.

Les scientifiques estiment aujourd’hui que l’Univers est constitué à 5 % de matière ordinaire, 25 % de matière noire et 70 % d’énergie noire. Un siècle plus tôt pourtant, aucune de ces deux dernières composantes ne faisait partie de l’équation. C’est dans les années 1930 que l’idée de matière noire naît lorsque l’astronome suisse Fritz Zwicky constate des anomalies dans les vitesses de rotation des objets au sein d’un amas de galaxies. Ces vitesses ne correspondent pas à la masse estimée de l’amas. La découverte n’attire pas l’attention et tombe dans l’oubli, avant de refaire surface quarante plus tard avec l’astronome américaine Vera Rubin qui fait un constat similaire à l’échelle des galaxies. Au fil des observations, les preuves s’accumulent : l’Univers semble constitué de bien plus de matière qu’il n’est possible d’en détecter. La matière noire, une matière hypothétique n’interagissant pas ou très peu avec la lumière, fait son entrée. Et l’énergie noire alors ? « Le concept est né en 1998 avec la découverte de l’accélération de l’expansion de l’Univers », explique Étienne Burtin, chercheur au Département de physique des particules (DPhP - Univ. Paris-Saclay/CEA) au CEA Paris-Saclay.

Une accélération révélée par des supernovæ

Jusque-là, on pensait que l’Univers était entièrement composé de matière, de matière ordinaire et de matière noire. Or, ce composant se manifeste par un effet gravitationnel qui attire les objets – les étoiles, les galaxies, etc. - les uns vers les autres. « Plus il y a de matière, plus la gravité est forte et retient les objets ensemble. On s’attendait donc à ce que l’Univers grandisse de moins en moins vite et qu’il y ait une relation directe entre cette décélération et la masse qui retient les structures », confirme Jérémy Neveu, enseignant-chercheur au Laboratoire de physique des deux infinis – Irène Joliot-Curie (IJCLab – Univ. Paris-Saclay/Univ. Paris-Cité/CNRS).

À la fin des années 1990, une équipe de scientifiques se met en tête de mesurer le ralentissement de l’expansion et ainsi d’estimer la densité de matière de l’Univers en observant des supernovæ de type Ia. Ces explosions d’étoiles arrivées en fin de vie ont la particularité d’émettre un flux lumineux relativement constant et connu. La quantité de lumière reçue par un observateur étant liée à sa distance avec l’astre émetteur, il est possible d’évaluer la distance des supernovæ à partir de l’intensité lumineuse observée. Et là, surprise : les supernovæ étudiées apparaissent bien plus éloignées que prévu. Peu après, un second groupe de chercheurs obtient des résultats similaires avec d’autres supernovæ. La communauté scientifique se rend à l’évidence : l’Univers est toujours en expansion et celle-ci s’accélère. Cette découverte – qui vaut en 2011 le prix Nobel de physique aux Américains Saul Permutter, Adam Riess et Brian P. Schmidt - « n’était pas totalement inattendue », précise Étienne Burtin. « Certaines recherches montraient qu’un univers uniquement composé de matière ne correspondait pas bien aux observations. »

Comment expliquer cette accélération ? C’est ici que l’énergie noire entre en jeu. Cette composante agirait en s’opposant à la gravitation, en éloignant les objets des uns des autres. Selon les estimations, cette accélération « tardive » aurait démarré environ 6,5 milliards d’années après le Big Bang. « C’est un effet un peu étrange dû à l’expansion de l’Univers », précise Jérémy Neveu. « Au fur et à mesure que l’Univers grandit, la matière se dilue et devient moins forte pour ralentir l’expansion. L’énergie noire étant toujours là, elle finit par prendre le dessus et accélérer l’expansion. » Décrit ainsi, le processus semble simple. Mais les débats vont bon train quant à la nature exacte de cette composante. « Quand on parle d’énergie noire, on se surestime parce qu’on ne sait pas si c’est de l’énergie », souligne Étienne Burtin. En réalité, « on a simplement voulu mettre un mot sur un phénomène qu’on ne comprend pas et qui reste sujet à discussion ».

Constante cosmologique, quintessence… Des théories diverses

Depuis la découverte de cette accélération, diverses théories sur l’énergie noire ont vu le jour, dont certaines convainquent plus que d’autres. La première candidate est la constante cosmologique (ou constante lambda, Λ). Imaginée par Albert Einstein en 1917, cette dernière était intégrée aux équations de la relativité générale qui décrivent la façon dont la matière et l’énergie déforment l’espace-temps. Le physicien l’avait introduite « parce qu’il pensait que l’Univers était statique », précise Étienne Burtin. « Pour obtenir quelque chose de statique sans changer ses équations, il avait ajouté une constante cosmologique. » Mais après que les études ont confirmé un Univers dynamique et en expansion, Einstein abandonne finalement sa constante. Près d’un siècle plus tard, elle revient sur le devant de la scène avec l’énigme de l’énergie noire et le modèle Lambda-CDM. Celui-ci suppose que l’Univers inclut à la fois de la matière, appelée matière noire froide (Cold Dark Matter, CDM en anglais) et de l’énergie noire sous la forme d’une constante fondamentale (Lambda).

« C’est le modèle avec la puissance explicative la plus forte parce qu’il est très simple. Il suffit d’ajouter une constante aux équations pour presque expliquer l’accélération mesurée aujourd’hui », affirme le chercheur du DPhP. Presque, car des problèmes demeurent, notamment quant à la valeur de cette constante. Avec cette théorie, « l’énergie noire découlerait d’une énergie du vide. L’Univers est en expansion, ce qui crée du volume et chaque volume vient avec une énergie du vide ». Selon la physique quantique, le vide n’est en effet pas vide mais rempli de particules qui émergent et disparaissent aussi vite. « Le problème est qu’en estimant cette énergie avec le modèle standard de la physique des particules, on aboutit à des résultats 10⁵⁵ à 10¹²⁰ plus grands que ce qu’on mesure à partir des observations ! » Un bémol de taille pour la constante cosmologique.

Une autre piste suggère que l’énergie noire serait une entité dynamique, c’est-à-dire une composante variant en fonction du temps et de l’espace. Un modèle portant le nom de « quintessence » avance que la mystérieuse énergie serait la manifestation d’une nouvelle forme de force fondamentale induite par des particules inconnues. « Il existe aussi des théories dites de gravité modifiée qui supposent que la gravitation telle que décrite par le modèle de la relativité générale ne fonctionnerait pas à l’échelle cosmologique », ajoute le physicien. « L’énergie noire ne serait alors pas une nouvelle substance à ajouter à l’Univers mais plutôt une amélioration à apporter au modèle de gravité qu’on connaît. »

5 000 yeux robotisés en quête de l’énergie noire

La question de l’énergie noire s’est aujourd’hui changée en véritable enquête pour les cosmologistes. Si plusieurs expériences ont déjà fourni des indices, une nouvelle ère s’est récemment ouverte avec le lancement de trois missions d’envergure. La première est le projet DESI (Dark Energy Spectroscopic Instrument) mené sur le télescope Mayall de l’observatoire Kitt Peak en Arizona (États-Unis). Mis en service en 2021, cet instrument est équipé d’un miroir de quatre mètres dont le plan focal est tapissé de 5 000 fibres optiques robotisées et reliées à dix spectrographes. « En une seule visée de télescope, DESI enregistre les spectres de 5 000 objets astrophysiques », se réjouit Étienne Burtin, membre de la collaboration internationale qui travaille sur l’instrument et regroupe plus de soixante-dix institutions. À titre de comparaison, le programme de relevés SDSS (Sloan Digital Sky Survey), qui a précédé DESI, captait « seulement » un millier d’objets à chaque observation. Surtout, il fonctionnait avec des plaques d’obturation qui devaient être changées manuellement. DESI offre « un gain de temps et d’infrastructure énorme », souligne le chercheur. 

Son objectif est d’observer des dizaines de millions de galaxies et de quasars – des objets très lumineux – afin de construire une carte tridimensionnelle détaillée de l’Univers. Avec ce relevé, « on veut retracer l’histoire de l’expansion de l’Univers et mesurer sa vitesse à différentes périodes au cours des onze derniers milliards d’années ». Pour réaliser ces mesures, les scientifiques font appel à un ingrédient particulier appelé oscillations acoustiques baryoniques (BAO en anglais) dont l’origine remonte à l’Univers primordial. À cette époque, l’Univers formait un plasma chaud et dense, rempli de particules en interaction, notamment de baryons (protons et neutrons), au sein duquel de petites fluctuations sont apparues. Celles-ci ont généré des ondes de pression, des surdensités de matière, qui se sont propagées de proche en proche jusqu’à se figer avec le refroidissement de l’Univers et la formation des premiers atomes. Des milliards d’années plus tard, ce phénomène a laissé des empreintes dans la distribution spatiale des galaxies offrant une « règle cosmique » aux scientifiques. « Depuis qu’elles sont figées, ces surdensités subissent seulement l’expansion de l’Univers. Elles nous fournissent une échelle de distance caractéristique pour mesurer la vitesse à laquelle l’Univers s’est étendu jusqu’à maintenant », appuie Étienne Burtin. 

En une année de fonctionnement, les spectrographes de DESI ont révélé la distance de plus de six millions de galaxies et de quasars dont la lumière a mis entre un et onze milliards d’années pour parvenir jusqu’à la Terre. Et ce premier échantillon s’avère précieux pour tester les différentes théories envisagées. En avril 2024, une première étude indique que les observations de DESI semblent appuyer le modèle Lambda-CDM et donc l’existence d’un Univers incluant matière et énergie noires. En revanche, elle met en évidence des déviations suggérant des variations de l’énergie noire au cours de l’histoire de l’Univers. « Ces observations sont intéressantes parce que si l’énergie noire varie au cours du temps, cela exclut la possibilité d’une constante cosmologique. Mais nous avons besoin d’analyser davantage de données pour avoir des résultats plus forts », décrypte Étienne Burtin. En novembre 2024, une seconde étude confirme que la gravité se comporterait bien en adéquation avec le modèle de la relativité générale aux échelles cosmologiques, ce qui tendrait à écarter la piste d’une gravité modifiée. 

DESI, dont la mission doit se poursuivre jusqu’en 2026, est la première expérience spectroscopique à se faire entièrement à l’aveugle. Pour chaque étude, les scientifiques travaillent sur des données modifiées afin d’éviter les biais susceptibles d’orienter leur interprétation. « La position des galaxies et des quasars que nous analysons est modifiée de façon cohérente pour cacher les paramètres cosmologiques sous-jacents », témoigne le physicien. « C’est très important pour que l’analyse soit honnête. Cela nous donne aussi plus de confiance dans les résultats. » L’équipe planche actuellement sur les trois premières années de données de DESI et devrait publier son analyse en mars 2025. 

Un télescope spatial en guise de détective cosmique

Si DESI ouvre la voie, l’instrument n’est pas seul dans cette sombre quête. « Ce qui est intéressant dans notre domaine, c’est la combinaison des expériences. Chacune nous dit quelque chose mais c’est en combinant tous les résultats qu’on obtient réellement des informations », souligne Étienne Burtin. Depuis juillet 2023, une autre expérience unique en son genre s’est installée dans l’espace, à environ 1,5 million de kilomètres de la Terre : le télescope spatial Euclid. Opéré par l’Agence spatiale européenne (ESA), l’engin a pour mission d’observer 1,5 milliard de galaxies situées jusqu’à dix milliards d’années-lumière (9,46 x 10¹² kilomètres), sur un tiers de la voûte céleste. « Cela représente environ 15 000 degrés carrés », détaille Martin Kilbinger, chercheur au Département d’astrophysique (DAp - Univ. Paris-Saclay/CEA) du CEA Paris-Saclay et membre du consortium international de plus de 2 500 scientifiques qui travaillent sur le télescope. 

Euclid embarque deux instruments, un imageur visible (en anglais Visible Instrument, VIS) et un spectro-imageur infrarouge (en anglais Near-Infrared Spectrometer and Photometer, NISP), pour observer les galaxies. Grâce au VIS, les cosmologistes étudient ce qu’on appelle l’effet de lentille gravitationnelle. « La lumière provenant des galaxies ne voyage pas exactement en ligne droite », éclaire le chercheur. « Elle est déviée par la matière qui se trouve sur sa route et qui déforme l’espace-temps. Cela crée de petites distorsions dans les images des galaxies. On parle de cisaillement gravitationnel. » En soumettant les observations à des algorithmes, il est possible de mesurer ces distorsions mais aussi de déterminer la distribution de la matière qui les provoque. De la même façon, ces mesures ouvrent une fenêtre sur l’évolution de cette matière en fonction du temps ainsi que sur les potentiels effets de l’énergie noire. Dans cette mission, Euclid a un avantage de taille comparé à d’autres instruments : il se trouve dans l’espace, ses observations ne sont donc pas gênées par l’atmosphère terrestre très turbulente qui induit ses propres effets sur les images des galaxies. 

Le second instrument, NISP, s’intéresse quant à lui à un autre phénomène appelé décalage vers le rouge (redshift en anglais). Lorsque les galaxies s’éloignent, les ondes lumineuses qu’elles émettent se décalent dans le spectre vers des longueurs d’onde plus grandes, donc vers le rouge. En analysant ce décalage, il est possible de mesurer la distance des galaxies lointaines ainsi que leur mouvement. Grâce à la combinaison de VIS et NISP, dont les données vont être analysées à l’aveugle, les scientifiques projettent de dresser leur propre carte 3D de l’Univers à différentes périodes afin de retracer son histoire. L’une des forces d’Euclid réside « dans l’énorme quantité de données qu’il nous livre sur les galaxies », souligne Martin Kilbinger. « Nous voulons comparer les observations avec les modèles et leurs prédictions théoriques sur l’expansion de l’Univers, le taux de matière, la constante Λ, etc. » 

Quelle théorie sur l’énergie noire va tirer son épingle du jeu grâce à Euclid ? Il est encore trop tôt pour le dire. Bien que le télescope ait livré de premières images spectaculaires fin 2023, son relevé principal n’a démarré qu’à l’été 2024, en raison de problèmes techniques ayant retardé les opérations. « Nous avons commencé à analyser les six premiers mois de données », indique le cosmologiste. « Nous publierons les résultats principaux en 2026 et je suis assez convaincu que nous sortirons des contraintes sur la constante Λ comme DESI l’a fait. » Si DESI semble discréditer la constante cosmologique, c’est pourtant celle qui convainc le plus le chercheur : « Je suis plutôt pessimiste, je ne pense pas que l’énergie noire va être une vraie découverte ». Preuve que la question de l’existence de cette mystérieuse énergie partage encore les scientifiques qui attendent avec impatience les prochaines mesures. 

La plus grande caméra astronomique jamais construite

Pour Jérémy Neveu, à l’IJCLab, « l’énergie noire est aujourd’hui la question la plus importante dans le domaine cosmologique ». D’ailleurs, il ne cache pas son enthousiasme à voir certains résultats contredire la piste la plus simple de la constante cosmologique. Mais l’enquête n’en est qu’à ses prémices. Pour résoudre l’énigme, l’enseignant-chercheur participe lui aussi à un projet d’envergure mondiale : l’observatoire Vera C. Rubin qui livrera ses premières images au printemps 2025. Perché à quelque 2 700 m d’altitude, sur une montagne du Chili, cet observatoire abrite trois miroirs qui lui confèrent un champ d’observation très large : une surface équivalente à quarante fois celle de la pleine Lune. Là n’est pas sa seule particularité puisqu’il est également équipé de la plus grande caméra astronomique jamais construite - un dispositif de la taille d’une petite voiture -, dotée d’une résolution de 3,2 milliards de pixels et de six filtres de couleurs. 

« Avec l’observatoire Vera C. Rubin, on a essayé de construire le télescope au sol le plus complet pour faire de la cosmologie moderne », appuie Jérémy Neveu. « L’objectif est de regarder l’Univers sous toutes ses coutures. Nous allons traquer la présence de l’énergie noire et de la matière noire en observant les supernovæ de type Ia, en regardant la répartition de la matière et en étudiant notamment l’effet de lentille gravitationnelle. Ce télescope est l’un des premiers construits pour faire cette mesure. » Grâce à ses instruments, l’expérience Legacy Survey of Space and Time (LSST) prévoit de produire, toutes les trois à quatre nuits, un relevé complet du ciel de l’hémisphère sud, à raison de 800 clichés par nuit. 

« Pour donner un ordre de grandeur, la découverte de 1998 s’est faite avec une quarantaine de supernovæ Ia. Aujourd’hui, on en répertorie environ 2 000. Le LSST prévoit d’en collecter 100 000 en dix années de mission. Et ces supernovæ ne seront pas seulement plus nombreuses, elles seront aussi mieux mesurées », souligne Jérémy Neveu. « L’avantage de cet observatoire est qu’il scanne la totalité du ciel en trois jours. Comme une supernova dure en moyenne un à deux mois, cela donne de grandes chances d’en observer beaucoup et de multiplier les observations d’une même supernova. » En dix ans, quelque dix-sept milliards d’étoiles et vingt milliards de galaxies s’ajouteront à l’inventaire observé par LSST pour éclairer la face sombre de l’Univers, mais pas seulement. 

Avec l’observatoire chilien, comme avec DESI ou Euclid, les scientifiques espèrent aussi avancer sur d’autres questions cosmologiques encore non résolues à ce jour telles que la masse des neutrinos ou la tension sur la constante de Hubble qui désigne la différence obtenue lorsque l’on calcule la vitesse d’expansion de l’Univers avec deux méthodes différentes. « La question de l’énergie noire est intéressante parce qu’elle ouvre la voie vers d’autres énigmes de l’histoire de l’Univers primordial telles que l’inflation », cette phase d’expansion très rapide survenue durant l’enfance de l’Univers, renchérit Étienne Burtin qui réfléchit déjà aux missions post-DESI. Que ces missions inédites aboutissent ou non à une véritable découverte concernant l’énergie noire, « la cosmologie a sans aucun doute de belles années devant elle », conclut Jérémy Neveu.

Références :

• DESI Collaboration et al., DESI 2024 VII: Cosmological Constraints from the Full-Shape Modeling of Clustering Measurements, arXiv, 2024.
• Scaramella et al., Euclid preparation: I. the Euclid Wide Survey, Astronomy and Astrophysics, 2022.
• Neveu et al., On the importance of Earth's atmosphere for SNIa precision cosmology, arXiv, 2024.