Depuis la fin des années 1920, les astronomes sont conscients du fait que l'Univers est en expansion. Initialement prédite par la théorie de la relativité générale d'Einstein, cette réalisation a continué à informer le modèle cosmologique le plus largement accepté - la théorie du Big Bang. Cependant, les choses sont devenues quelque peu confuses au cours des années 1990, lorsque de meilleures observations ont montré que le taux d'expansion de l'Univers s'accélérait depuis des milliards d'années.
Cela a conduit à la théorie de l'énergie noire, une mystérieuse force invisible qui entraîne l'expansion du cosmos. Tout comme Dark Matter qui expliquait la «masse manquante», il devenait alors nécessaire de trouver cette énergie insaisissable, ou du moins de lui fournir un cadre théorique cohérent. Une nouvelle étude de l'Université de la Colombie-Britannique (UBC) cherche à faire exactement cela en postulant que l'Univers s'agrandit en raison des fluctuations de l'espace et du temps.
L'étude - récemment publiée dans la revue Examen physique D - était dirigé par Qingdi Wang, étudiant au doctorat au Département de physique et d'astronomie de l'UBC. Sous la supervision du professeur William Unruh de l'Université de la Colombie-Britannique (l'homme qui a proposé l'effet Unruh) et avec l'aide de Zhen Zhu (un autre doctorant de l'Université de la Colombie-Britannique), ils apportent une nouvelle vision de l'énergie noire.
L'équipe a commencé par aborder les incohérences résultant des deux principales théories qui, ensemble, expliquent tous les phénomènes naturels dans l'Univers. Ces théories ne sont autres que la relativité générale et la mécanique quantique, qui expliquent efficacement comment l'Univers se comporte sur la plus grande échelle (c'est-à-dire les étoiles, les galaxies, les amas) et la plus petite (les particules subatomiques).
Malheureusement, ces deux théories ne sont pas cohérentes en ce qui concerne un petit sujet connu sous le nom de gravité, que les scientifiques sont encore incapables d'expliquer en termes de mécanique quantique. L'existence de l'énergie noire et l'expansion de l'Univers sont un autre point de désaccord. Pour commencer, les théories des candidats comme l'énergie du vide - qui est l'une des explications les plus populaires de l'énergie sombre - présentent de graves incongruités.
Selon la mécanique quantique, l'énergie du vide aurait une densité d'énergie incroyablement grande. Mais si cela est vrai, alors la relativité générale prédit que cette énergie aurait un effet gravitationnel incroyablement fort, qui serait suffisamment puissant pour faire exploser la taille de l'Univers. Comme le professeur Unruh l'a partagé avec Space Magazine par e-mail:
«Le problème est que tout calcul naïf de l'énergie du vide donne des valeurs énormes. Si l'on suppose qu'il y a une sorte de coupure, on ne peut pas obtenir des densités d'énergie beaucoup plus grandes que la densité d'énergie de Planck (ou environ 1095 Joules / mètre³) alors on constate que l'on obtient une constante de Hubble - l'échelle de temps sur laquelle l'Univers double grossièrement de taille - de l'ordre de 10-44 seconde. Donc, l'approche habituelle consiste à dire que quelque chose réduit cela de sorte que l'on obtient à la place le taux d'expansion réel d'environ 10 milliards d'années. Mais ce «en quelque sorte» est assez mystérieux et personne n'a mis au point un mécanisme à moitié convaincant. »
Alors que d'autres scientifiques ont cherché à modifier les théories de la relativité générale et de la mécanique quantique afin de résoudre ces incohérences, Wang et ses collègues ont cherché une approche différente. Comme Wang l'a expliqué à Space Magazine par e-mail:
«Des études antérieures tentent soit de modifier la mécanique quantique d'une manière ou d'une autre pour réduire l'énergie du vide, soit de modifier la relativité générale d'une manière ou d'une autre pour rendre la gravité insensible à l'énergie du vide. Cependant, la mécanique quantique et la relativité générale sont les deux théories les plus réussies qui expliquent comment fonctionne notre univers… Au lieu d'essayer de modifier la mécanique quantique ou la relativité générale, nous pensons que nous devons d'abord mieux les comprendre. Nous prenons très au sérieux la grande densité d'énergie du vide prédite par la mécanique quantique et nous les laissons simplement graviter selon la relativité générale sans modifier ni l'une ni l'autre. »
Pour les besoins de leur étude, Wang et ses collègues ont effectué de nouveaux ensembles de calculs sur l'énergie du vide qui tenaient compte de sa densité d'énergie élevée prévue. Ils ont ensuite envisagé la possibilité que sur la plus petite échelle - des milliards de fois plus petite que les électrons - le tissu de l'espace-temps soit soumis à des fluctuations sauvages, oscillant à chaque point entre l'expansion et la contraction.
En se balançant d'avant en arrière, le résultat de ces oscillations est un effet net où l'Univers se dilate lentement, mais à un rythme accéléré. Après avoir effectué leurs calculs, ils ont noté qu'une telle explication était compatible à la fois avec l'existence de la densité d'énergie du vide quantique et de la relativité générale. En plus de cela, cela correspond également à ce que les scientifiques observent dans notre univers depuis près d'un siècle. Comme Unruh l'a décrit:
«Nos calculs ont montré que l'on pouvait toujours considérer [que] l'Univers aux plus petites échelles se dilate et se contracte à un rythme absurdement rapide; mais qu'à grande échelle, en raison d'une moyenne sur ces petites échelles, la physique ne remarquerait pas cette «mousse quantique». Il a un effet résiduel minuscule en donnant une constante cosmologique efficace (effet de type énergie sombre). À certains égards, c'est comme des vagues sur l'océan qui voyagent comme si l'océan était parfaitement lisse, mais nous savons vraiment qu'il y a cette incroyable danse des atomes qui composent l'eau, et les vagues en moyenne sur ces fluctuations, et agissent comme si le la surface était lisse.
Contrairement aux théories contradictoires d'un Univers où les différentes forces qui le gouvernent ne peuvent être résolues et doivent s'annuler, Wang et ses collègues présentent une image où l'Univers est constamment en mouvement. Dans ce scénario, les effets de l'énergie du vide s'annulent en fait eux-mêmes et provoquent également l'expansion et l'accélération que nous avons observées tout ce temps.
Bien qu'il soit peut-être trop tôt pour le dire, cette image d'un univers hautement dynamique (même à la plus petite échelle) pourrait révolutionner notre compréhension de l'espace-temps. À tout le moins, ces résultats théoriques sont sûrs de stimuler le débat au sein de la communauté scientifique, ainsi que des expériences conçues pour offrir des preuves directes. Et c'est, comme nous le savons, la seule façon de faire progresser notre compréhension de cette chose connue sous le nom d'univers.
