Depuis que notre univers a explosé il y a environ 13,8 milliards d’années, il n’a cessé de s’étendre. Les étoiles et les galaxies s’éloignent continuellement – si vite que même si vous deviez décoller de la Terre à la vitesse de la lumière, vous n’atteindriez jamais environ 94% des galaxies, même après avoir voyagé pendant des milliards d’années.
« Nous disons vraiment deux choses à la fois : qu’il existe des preuves que les solutions typiques de trou noir ne fonctionnent pas pour vous sur une longue, très longue échelle de temps, et nous avons la première source astrophysique proposée pour l’énergie noire.
Nous en savons relativement peu sur cette étrange force d’expansion derrière notre univers en ballon, mais nous savons qu’elle s’accélère. Parce que l’énergie est conservée dans notre univers, cela signifie que si quelque chose se répand, il doit y avoir une sorte d’énergie derrière ; par conséquent, les astronomes appellent ce phénomène “l’énergie noire”. Comme la matière noire, elle est « noire » dans le sens où sa provenance est mystérieuse : nous ne savons pas exactement ce qu’elle est, mais les deux agissent comme des variables qui aident à expliquer les modèles de notre univers.
Tout cela peut être quelque peu déroutant, mais essentiellement, de nombreux cosmologistes différents à travers l’histoire ont proposé diverses théories pour expliquer ce que nous observons en regardant dans l’espace. L’origine de l’univers est assez bien comprise : il existe des preuves des événements de la théorie du Big Bang, remontant jusqu’aux premières millisecondes de l’existence de l’univers.
Cependant, jusqu’à présent, cela n’explique pas tout. Certaines choses sont encore un mystère, mais pour compléter le tableau (et faire fonctionner certaines équations mathématiques), nous utilisons des concepts comme l’énergie noire pour que le tout s’adapte. Il peut être assez frustrant, même pour les cosmologistes, d’avoir une grande inconnue coincée au milieu de nos équations, mais les physiciens se rapprochent de plus en plus de la résolution de ces incertitudes.
Une paire d’articles récemment publiés, l’un dans The Astrophysical Journal et l’autre dans The Astrophysical Journal Letters, fournit certaines des meilleures preuves de ce que pourrait être l’énergie noire. La réponse pourrait se trouver au cœur des trous noirs.
Les astrophysiciens Duncan Farrah et Kevin Croker, tous deux de l’Université d’Hawaï à Mānoa, ont mené cette recherche, en association avec des chercheurs et des institutions de neuf pays. En parcourant des ensembles de données existants couvrant 9 milliards d’années, ils ont trouvé la première preuve d’observation de l’énergie noire. Si ces nouvelles données peuvent être soutenues, elles nous aideraient à mieux comprendre certaines des propriétés fondamentales de l’univers et pourraient redéfinir notre compréhension de ce qu’est même un trou noir.
Les trous noirs sont des singularités, c’est-à-dire des points qui n’ont effectivement pas de taille, mais des masses énormes et une densité infinie, et qui se définissent par le fait que rien, pas même la lumière, ne peut s’échapper une fois qu’ils franchissent un certain rayon autour du trou noir. Il ne semble pas non plus y avoir de limite supérieure à leur taille, avec des trous noirs supermassifs mesurant jusqu’à un milliard de fois notre propre Soleil. La plupart (mais pas tous) des trous noirs se forment à partir des cadavres d’étoiles qui brûlent, explosent et s’effondrent sur elles-mêmes. Lorsqu’ils entrent en collision, ils créent des ondes gravitationnelles massives d’énergie, que nous n’avons pu commencer à détecter que récemment à l’aide d’une paire d’installations qui composent l’expérience LIGO (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory). Cet observatoire d’ondes gravitationnelles observe d’énormes événements astronomiques dans l’univers en observant comment ils déforment la manière dont la gravité se déplace dans l’espace-temps ; généralement, les observatoires d’ondes gravitationnelles ne détectent que les plus grandes explosions et fusions stellaires.
“Quand LIGO a entendu la première paire de trous noirs fusionner fin 2015, tout a changé”, a déclaré Croker dans un communiqué. “Le signal était en excellent accord avec les prédictions sur papier, mais étendre ces prédictions à des millions ou des milliards d’années ? Faire correspondre ce modèle de trous noirs à notre univers en expansion ? La façon de procéder n’était pas du tout claire.”
Le premier article aborde certaines des façons dont les trous noirs se forment et accumulent de la masse, en examinant les galaxies elliptiques à différents stades d’évolution. Les galaxies elliptiques sont les plus courantes de notre univers, mais font partie des galaxies les plus anciennes et les plus massives. Ils peuvent nous en dire beaucoup sur ce à quoi ressemblait l’univers primitif. Cette recherche a révélé que soit les données d’observation des trous noirs sont plus truffées d’erreurs qu’on ne le pensait auparavant, soit un mécanisme inconnu provoque la croissance des trous noirs supermassifs.
Le deuxième article s’appuie sur cette recherche et a révélé que les trous noirs de taille moyenne se développent au même rythme que l’univers se développe. Cela implique que les trous noirs contribuent en quelque sorte leur propre énergie à l’univers. Plus remarquable encore, cette énergie semble être responsable de l’expansion accélérée de l’univers attribuée à l’énergie noire – et pourrait donc expliquer ce qu’est l’énergie noire.
“Il s’agit du premier article d’observation où nous n’ajoutons rien de nouveau à l’univers en tant que source d’énergie noire : les trous noirs dans la théorie de la gravité d’Einstein sont l’énergie noire.”
Trouver une explication astucieuse de l’énergie noire est une chose – et les astronomes génèrent de telles théories depuis environ un siècle – mais cet article fournit la toute première preuve d’observation. C’est-à-dire des preuves qui peuvent être mesurées et (surtout) testées, plutôt que d’exister simplement comme un « peut-être » théorique abstrait.
“Nous disons vraiment deux choses à la fois : qu’il existe des preuves que les solutions typiques de trou noir ne fonctionnent pas pour vous sur une longue, très longue échelle de temps, et nous avons la première source astrophysique proposée pour l’énergie noire”, a déclaré Farrah, le chef de file. auteur des deux articles, a déclaré dans la même déclaration. “Ce que cela signifie, cependant, ce n’est pas que d’autres personnes n’ont pas proposé de sources d’énergie noire, mais c’est le premier article d’observation où nous n’ajoutons rien de nouveau à l’univers comme source d’énergie noire : les trous noirs dans la théorie de la gravité d’Einstein sont l’énergie noire.”
Pour étayer ces observations, les chercheurs ont intégré leurs données dans de nombreux modèles et ont trouvé une cohérence. Pour confirmer davantage cela, des tests supplémentaires sont nécessaires, y compris de meilleures mesures de la fusion des trous noirs et la recherche de signatures dans le fond diffus cosmologique, le « rayonnement fossile » qui reste du Big Bang.
“Cette mesure, expliquant pourquoi l’univers accélère maintenant, donne un bel aperçu de la force réelle de la gravité d’Einstein”, a déclaré Croker. “Un chœur de petites voix réparties dans tout l’univers peut travailler ensemble pour diriger l’ensemble du cosmos. C’est pas cool ?”
