Une nouvelle lumière sur l'énergie sombre

L'accélération de l'expansion de l'Univers est un phénomène pour l'instant inexpliqué. Ce mystère pourrait être levé grâce à une nouvelle méthode mise au point par une équipe internationale de chercheurs, dont plusieurs appartiennent à des laboratoires associés au CNRS(1). Pour cela, les scientifiques ont, pour la première fois, mesuré la position et la vitesse de plus de 10 000 galaxies dans l'Univers lointain(2). Cette campagne d'observation a été menée via l'instrument VIMOS(3), dont le responsable est Olivier Le Fèvre, directeur du Laboratoire d'astrophysique de Marseille (LAM, CNRS / Université de Provence / Observatoire astronomique Marseille Provence). Non seulement cette méthode inédite apporte des informations précieuses sur la nature de l'énergie noire, mais elle ouvre aussi de nouvelles perspectives sur l'identification de l'origine de l'accélération cosmique. Elle fait l'objet d'une publication dans Nature le 31 janvier.

L'expansion de l'Univers est actuellement plus rapide qu'elle ne l'était par le passé. Mais, cette accélération ne peut s'expliquer avec les lois fondamentales de la physique sans émettre de nouvelles hypothèses. Parmi les plus probables, deux sont aujourd'hui particulièrement étudiées, à savoir :

- soit l'Univers est rempli d'une mystérieuse énergie sombre produisant une force répulsive qui contrebalance le freinage gravitationnel produit par la matière contenue dans l'Univers ;

- soit la théorie de la gravitation n'est pas correcte et doit être modifiée, en ajoutant par exemple des dimensions supplémentaires à la description de l'espace.

Or, les observations actuelles du taux d'expansion de l'Univers ne permettent pas de trancher entre ces deux options.

Une collaboration internationale, composée de 51 scientifiques répartis dans 24 institutions, a découvert une nouvelle méthode qui pourrait aider à résoudre ce problème. « Nous avons montré que les sondages qui mesurent les positions et les vitesses des galaxies distantes offrent une nouvelle approche pour percer ce mystère. » déclare Luigi Guzzo, coordinateur de l'étude.

Sonder des galaxies il y a 7 milliards d'années, une première

La technique est basée sur un phénomène bien connu : le déplacement des galaxies résulte de la somme de l'expansion globale de l'Univers (qui éloigne les galaxies les unes des autres), et des effets dus à la matière présente dans l'environnement local. « À partir des vitesses d'un grand échantillon de galaxies, observées 7 milliards d'années dans le passé, nous avons reconstitué la structure en trois dimensions d'un volume important de l'Univers lointain et ainsi observé la distribution des galaxies dans l'espace 3D(4) » indique Olivier Le Fèvre, l'un des co-auteurs de l'article et responsable de l'instrument VIMOS(5), avant de préciser que « les vitesses contiennent également une information sur le déplacement relatif local des galaxies. Ce dernier introduit des distorsions, petites mais mesurables, par rapport à leur déplacement global. La mesure de ces distorsions est une façon de tester la nature de l'énergie sombre. » Ce sont donc ces différences qui dévoilent aux chercheurs des informations sur les composants de l'énergie noire.

Besoin de 70% d'énergie noire pour modéliser l'Univers

Les mesures obtenues soulignent la nécessité d'ajouter un ingrédient supplémentaire d'énergie dans la "soupe cosmique" à partir de laquelle l'ensemble de notre Univers a évolué au cours du temps. Cette conclusion renforce l'hypothèse émise ces dix dernières années, selon laquelle il serait nécessaire de prendre en compte, dans les modèles, une forme simple d'énergie sombre identifiée à la constante cosmologique, introduite par Albert Einstein. Avec cette nouvelle méthode, les scientifiques parviennent au même chiffre que les études précédentes, indiquant que l'énergie sombre compose 70% de l'Univers.

Ces mesures n'auraient pu être possibles sans le concours du spectrographe VIMOS installé sur Melipal(6), l'un des quatre télescopes du VLT de l'ESO. Elles s'inscrivent dans le cadre du sondage VIMOS VLT Deep Survey (VVDS). Le VVDS, dont Olivier Le Fèvre est le responsable scientifique, a permis d'observer le spectre de plus de 10 000 galaxies dans un champ de 4 degrés carrés (20 fois la taille de la pleine Lune), remontant à des époques allant jusqu'à plus de la moitié de l'âge de l'Univers (soit environ 7 milliards d'années dans le passé).

Enfin, les simulations effectuées à partir des données VVDS mettent en évidence que la technique que les chercheurs ont utilisée, appliquée à des sondages explorant des volumes dix fois supérieurs à celui couvert par le VVDS, pourra permettre de déterminer efficacement l'origine de l'accélération cosmique : provient-elle d'une forme d'énergie sombre d'origine exotique ? ou, une modification des lois de la gravitation est-elle nécessaire ?. Les résultats encouragent donc les chercheurs à poursuivre l'exploration de l'Univers par des sondages encore plus ambitieux.

Références :

A test of the nature of cosmic acceleration using galaxy redshift distortions. L. Guzzo et al., Nature, 31 January 2008.