Energie sombre et matière noire

De l’Energie sombre à la matière noire

Le télescope spatial européen EUCLID se lance à la découverte de la nature de l’énergie sombre, et de l’élément le plus important de l’univers, la matière noire.

Quand le télescope spatial Euclid décollera de Cape Canaveral en Floride le mois prochain, il entreprendra une mission ambitieuse : cartographier 1 milliard de galaxies pour élucider le mystère de l’énergie sombre. Cette recherche, couvrant plus d’un tiers du ciel, remontera dans le temps jusqu’aux galaxies de l’univers jeune, il y a environ 10 milliards d’années. Malgré la complexité de la tâche, l’objectif principal d’Euclid est simple : obtenir une seule mesure, désignée par w, qui décrit l’effet de l’énergie sombre. Cette mesure est cruciale pour comprendre l’expansion accélérée de l’univers et pourrait remettre en question notre compréhension actuelle de la physique fondamentale. En effet, si w est proche de -1, cela soutiendrait l’idée d’une constante cosmologique, une solution insatisfaisante pour de nombreux cosmologistes car elle ne fournit pas d’explication convaincante sur l’origine de l’énergie sombre. Une valeur de w différente de -1 ou variant dans le temps pourrait ouvrir la voie à une nouvelle théorie révolutionnaire de la physique.

La mission Euclid, d’une valeur de 1,4 milliard d’euros et développée par l’Agence spatiale européenne (ESA), s’associe à d’autres projets de plusieurs milliards de dollars pour étudier l’énergie sombre, notamment l’Observatoire Vera C. Rubin au Chili (prévu pour 2025) et le télescope spatial Nancy Grace Roman de la NASA (prévu pour 2026). Ces efforts sont destinés à déterminer si la constante cosmologique, une solution simpliste à l’énergie sombre, est la réponse adéquate ou si de nouvelles théories sont nécessaires. En 1998, l’accélération de l’expansion de l’univers a été une surprise pour la communauté scientifique, remettant en question les fondements de la cosmologie.

Ce qui est aujourd’hui appelé l’énergie sombre semblait influencer l’expansion de l’univers. Les preuves en sa faveur se sont accumulées au fil du temps, provenant de nombreuses supernovae supplémentaires, d’observations sur la formation des galaxies et de motifs dans le rayonnement de fond cosmique. Un modèle consensuel, appelé lambda-CDM, est apparu, décrivant l’univers comme composé de 5% de matière ordinaire, 27% de matière noire froide et 68% d’énergie sombre.

La lettre grecque lambda dans ce modèle représente une explication possible, la constante cosmologique, proposée par Einstein en 1917 pour résoudre un problème avec sa théorie de la gravité. Cependant, cette explication reste controversée car elle ne possède aucune base physique solide. Selon la mécanique quantique, le vide devrait être rempli d’énergie provenant de fluctuations, mais cette prédiction est bien supérieure à la valeur observée de la constante cosmologique, remettant en question notre compréhension actuelle de l’univers.

Les cosmologistes considèrent l’espace comme un fluide parfait, et w représente le rapport entre la pression et la densité énergétique de ce fluide. Une valeur de w proche de -1 indique une pression constante dans le cosmos. Les estimations actuelles suggèrent que w est suffisamment proche de -1 pour être cohérent avec les données disponibles.

Pour obtenir une mesure plus précise, les astronomes cherchent à étudier une période de l’histoire cosmique il y a plus de 7 milliards d’années, lorsque l’univers était plus petit et que la gravité dominait sur l’énergie sombre. Cependant, les télescopes terrestres sont limités par l’atmosphère et ne peuvent pas remonter aussi loin dans le passé. C’est pourquoi l’ESA a reçu des propositions pour deux missions spatiales visant à explorer l’énergie sombre. L’une de ces propositions, appelée Dark Universe Explorer, se baserait sur la lentille gravitationnelle faible pour observer de lointaines galaxies et ainsi mieux comprendre l’énergie sombre.

Ces mesures permettent aux astronomes de comprendre la densité de la matière entre les galaxies et la Terre, ainsi que l’évolution du combat entre gravité et énergie sombre au fil du temps.

La deuxième proposition, appelée Spectroscopic All-Sky Cosmic Explorer (SPACE), exploiterait les oscillations acoustiques baryoniques (BAOs), des ondulations de matière formées peu après le big bang. En cartographiant des millions de galaxies et en mesurant la taille de ces ondulations à différents moments, les astronomes peuvent étudier l’effet de l’énergie sombre sur le taux d’expansion de l’univers.

Avec deux missions de cosmologie prometteuses à disposition, l’ESA a proposé de les fusionner en une seule mission spatiale, donnant naissance à Euclid en 2011. Cette décision n’a pas été facile en raison de nombreux compromis expérimentaux à prendre.

Par exemple, le miroir principal de 1,2 mètre d’Euclid était sollicité pour deux usages concurrents. L’enquête sur la lentille faible nécessite de la lumière visible pour des images nettes, tandis que l’étude sur les oscillations acoustiques baryoniques utilise la lumière infrarouge pour cartographier des galaxies lointaines. Pour résoudre ce dilemme, les responsables d’Euclid ont commandé à Zeiss un verre complexe qui permet à la lumière infrarouge de passer à travers certains instruments tout en réfléchissant la lumière visible vers d’autres instruments.

Les ingénieurs ont opté pour le carbure de silicium pour les composants d’Euclid en raison de sa stabilité face aux variations de température. Cependant, travailler avec ce matériau s’est avéré difficile, avec des défis comme la formation de fissures sur une plaque de base nécessitant deux ans de plus que prévu pour sa fabrication.

L’équipe de l’enquête sur les oscillations acoustiques baryoniques a dû faire des compromis en abandonnant l’utilisation d’un réseau de petits miroirs commutables pour recueillir les spectres de galaxies individuelles. À la place, ils ont utilisé un prisme de réseau, appelé grisme, pour obtenir simultanément les spectres de plusieurs sources dans le champ de vision, nécessitant toutefois un traitement d’image complexe pour séparer les spectres superposés et éliminer ceux des objets indésirables.

Les détecteurs pour la caméra infrarouge ont posé problème car ils sont soumis aux contrôles à l’exportation américains en raison de leurs applications militaires. La NASA a facilité l’acquisition et les tests des capteurs chez Teledyne Technologies, mais cela a ajouté une bureaucratie supplémentaire. Le vaisseau spatial Euclid, initialement prévu pour être lancé sur une fusée Soyouz russe, a dû être reprogrammé à la suite des sanctions occidentales après l’invasion de l’Ukraine par la Russie. L’ESA a finalement trouvé une alternative avec le Falcon 9 de SpaceX.

Euclid est maintenant prêt pour son lancement et son voyage vers le point de Lagrange L2, tout comme le télescope spatial JWST de la NASA. Ses rivaux américains, Roman et Rubin, se joindront plus tard à la chasse à l’énergie sombre, chacun avec ses propres caractéristiques et objectifs. Les équipes espèrent résoudre le mystère de l’énergie sombre en utilisant des analyses conjointes des données des trois télescopes pour obtenir les contraintes les plus convaincantes. Les théoriciens ont de bonnes raisons de croire que les données remettront en question le modèle lambda-CDM, en particulier en raison de la tension de Hubble, qui reste un problème non résolu malgré des mesures répétées.

Une autre tension concerne un paramètre indépendant appelé S8, décrivant la distribution des matières dans la toile cosmique des galaxies. Selon la recette du modèle lambda-CDM, les mesures de la distribution des matières dans le CMB prédisent une valeur de S8 que nous devrions observer aujourd’hui. Cependant, l’univers proche semble être 10 % moins distribué que prévu. Cette divergence remet en question le modèle lambda-CDM. Pour résoudre la tension de Hubble, les théoriciens ont proposé des modèles collectivement appelés “matière noire précoce”, suggérant qu’une forme d’énergie sombre a impulsé l’univers avant la création du CMB, augmentant la valeur de H0 dérivée des données du CMB. Bien que certaines observations récentes appuient cette théorie, elles ne résolvent pas la tension de S8 et ne sont pas suffisamment convaincantes. La matière noire précoce nécessite une toute nouvelle force, comme la quintessence, une force qui varie en fonction de l’histoire cosmique et pourrait être responsable de l’accélération de l’expansion cosmique, ou même d’un effondrement ultérieur.

Les données d’Euclid et d’autres sondes sur l’énergie sombre pourraient remettre en question la constante cosmologique. Si elles détectent une déviation de w par rapport à -1, cela pourrait invalider cette constante. Une autre possibilité est une révision de la théorie de la gravité, si les observations d’Euclid ne correspondent pas aux prédictions de la relativité générale. Euclid va commencer son enquête après son arrivée à L2, couvrant 36% du ciel et enregistrant environ 10 milliards de galaxies. Cela pourrait ouvrir de nouvelles perspectives pour comprendre l’univers.

Le Consortium Euclid analysera les images de 1 milliard de galaxies pour la distorsion gravitationnelle et les spectres de dizaines de millions de galaxies pour l’enquête BAO, dans le but de calculer la valeur de w avec une précision de moins de 1 %. Les cosmologistes reconnaissent leur ignorance concernant les deux tiers de l’univers et espèrent obtenir des preuves solides que le modèle lambda-CDM est défaillant dans les cinq prochaines années.