Introduction
L'énergie sombre est une composante énergétique dominante et mystérieuse de l'Univers, introduite pour expliquer l'observation surprenante que l'expansion de l'Univers s'accélère, et non pas ralentit comme on le pensait sous l'effet de la gravité. Contrairement à la matière ordinaire ou même à la matière noire, elle n'est pas constituée de particules mais semble être une propriété intrinsèque de l'espace vide lui-même. Son existence implique que le destin ultime du cosmos pourrait être une expansion éternelle et glaciale.
Description
L'énergie sombre est conceptualisée comme une énergie de densité constante et uniformément répartie dans tout l'espace. Sa caractéristique principale est d'avoir une pression négative forte, ce qui, selon les équations de la relativité générale d'Einstein, produit un effet gravitationnel répulsif. Cette répulsion contrecarre l'attraction gravitationnelle de toute la matière (ordinaire et noire) dans l'Univers, poussant les galaxies à s'éloigner les unes des autres à un rythme toujours plus rapide. Le modèle cosmologique standard, le modèle ΛCDM (Lambda Cold Dark Matter), identifie l'énergie sombre à la constante cosmologique (Λ), une énergie du vide proposée puis rejetée par Einstein. Cependant, d'autres théories existent, comme la quintessence, un champ dynamique qui varie dans le temps et l'espace, ou des modifications de la loi de la gravité à très grande échelle.
Histoire
L'histoire de l'énergie sombre commence en 1998 avec les travaux de deux équipes indépendantes : le Supernova Cosmology Project dirigé par Saul Perlmutter et le High-Z Supernova Search Team dirigé par Brian Schmidt et Adam Riess. Ces équipes étudiaient des supernovae de type Ia, des explosions stellaires dont la luminosité intrinsèque est bien connue, servant ainsi de "chandelles standards" pour mesurer les distances cosmologiques. En comparant la distance et le décalage vers le rouge (redshift) de ces supernovae lointaines, ils s'attendaient à mesurer un ralentissement de l'expansion. À leur grande surprise, ils découvrirent que les supernovae les plus lointaines étaient plus faibles que prévu, indiquant qu'elles étaient plus éloignées. La seule explication cohérente était que l'expansion de l'Univers s'accélère. Cette découverte révolutionnaire, récompensée par le prix Nobel de physique en 2011, a conduit à la réintroduction de la constante cosmologique et à la notion d'énergie sombre.
Caracteristiques
Les caractéristiques principales de l'énergie sombre, telles qu'inférées des observations, sont : 1) **Densité constante** : Sa densité énergétique ne diminue pas lorsque l'Univers s'expand, contrairement à la matière (dont la densité diminue avec le volume). 2) **Pression négative** : Son équation d'état (rapport pression/densité, noté w) est proche de -1. Pour la constante cosmologique, w est exactement -1. 3) **Homogénéité** : Elle ne s'agglomère pas sous l'effet de la gravité mais reste parfaitement uniforme. 4) **Dominance actuelle** : Elle est devenue le composant dominant de l'Univers il y a environ 5 à 6 milliards d'années, marquant le début de l'ère de l'expansion accélérée. 5) **Nature inconnue** : Elle n'interagit pas via les forces nucléaires forte ou faible, ni électromagnétiquement, ce qui la rend extrêmement difficile à détecter directement.
Importance
L'importance de l'énergie sombre est fondamentale en cosmologie et en physique fondamentale. Elle a radicalement changé notre vision du destin de l'Univers, écartant les scénarios d'un "Big Crunch" (effondrement final) ou d'une expansion ralentie pour un avenir d'expansion accélérée et d'"isolement" des structures. Elle représente un pont crucial entre la cosmologie et la physique des particules, car sa nature pourrait être liée à l'énergie du vide quantique. Cependant, la valeur théorique de l'énergie du vide calculée par la physique quantique est supérieure de 10^120 (un 1 suivi de 120 zéros) à la valeur observée pour l'énergie sombre, ce qui constitue la "pire prédiction théorique de l'histoire de la physique". Résoudre ce paradoxe pourrait nécessiter une théorie unifiée de la gravité quantique. Sa compréhension est l'un des objectifs majeurs des grands projets d'observation comme le télescope spatial Euclid, le Vera C. Rubin Observatory et le Dark Energy Spectroscopic Instrument (DESI).
