Le tournant

~9,8 Ga (découverte en 1998)

Chercher un freinage

En 1998, deux équipes d'astronomes cherchent à mesurer de combien l'expansion de l'Univers ralentit. Jusque-là, les cosmologistes supposent un Univers fait de matière seule. Chaque morceau de matière y attire tous les autres, et cette attraction s'oppose à l'éloignement mutuel des galaxies : les distances grandissaient autrefois plus vite qu'aujourd'hui, et l'expansion n'a jamais cessé de ralentir. Les premières étoiles, les galaxies de Webb, l'assemblage de la Voie lactée, la naissance du Soleil ont eu lieu dans un Univers gouverné par la matière. La question ouverte porte sur l'ampleur de ce freinage.

Mesurer un freinage demande de comparer deux choses pour des objets lointains : de combien leur lumière a été étirée, et à quelle distance ils se trouvent. La première se lit directement dans leur spectre, dont les raies sont décalées vers le rouge. La seconde est difficile. L'éclat apparent d'une source diminue comme le carré de sa distance, une source deux fois plus loin paraît quatre fois moins brillante, et si l'on connaît l'éclat réel d'une source, son éclat apparent donne sa distance ; il faut donc des objets qui ont tous le même éclat réel. Les supernovas de type Ia jouent ce rôle. Le chapitre de la forge les a rencontrées comme une source du fer : ce sont les explosions de naines blanches carbone-oxygène dans des systèmes doubles, deux étoiles qui tournent l'une autour de l'autre. Leur luminosité est quasi standard, leur éclat apparent donne leur distance, et elles sont assez brillantes pour être vues là où leur lumière a voyagé plusieurs milliards d'années. Pourquoi leur éclat varie si peu, et comment les astronomes corrigent ce « quasi », les sources de ce livre ne le disent pas.

Le décalage vers le rouge d'une supernova lointaine dit de combien l'Univers s'est étiré pendant le trajet de sa lumière. Il ne dit pas combien de temps cet étirement a pris. Si l'expansion a ralenti, elle était plus rapide autrefois ; l'étirement mesuré s'est accompli en peu de temps, la lumière a voyagé moins longtemps, et la source est plus proche. Si l'expansion a accéléré, elle était plus lente autrefois ; le même étirement a pris plus de temps, la lumière a voyagé plus longtemps, et la source est plus loin, donc moins brillante. Pour un même décalage vers le rouge, une supernova trop faible trahit une expansion qui a moins ralenti que prévu, ou qui a accéléré.

Dix à quinze pour cent plus loin

C'est ce que trouve l'équipe d'Adam Riess, et son article de 1998 porte un titre qui annonce le résultat : « Indices observationnels, tirés des supernovas, d'un Univers en accélération et d'une constante cosmologique ». Les supernovas Ia à grand décalage vers le rouge y sont, en moyenne, « 10 à 15 % plus lointaines » qu'attendu dans un Univers de faible densité de matière sans constante cosmologique. La comparaison est choisie pour être prudente : un Univers peu dense est le moins freiné des Univers faits de matière seule, celui où les supernovas devraient déjà paraître le plus loin ; elles sont encore plus loin que cela. En éclat, 10 à 15 % de distance en plus font des supernovas environ 17 à 24 % plus faibles que prévu.

L'équipe de Saul Perlmutter, le Supernova Cosmology Project, arrive au même résultat par ses propres observations. Elle analyse 42 supernovas, dont les décalages vers le rouge vont de 0,18 à 0,83, et trouve, pour un Univers plat, une densité de matière Ωm de 0,28, la lettre Ω désignant une densité comptée en fraction de celle qui rend l'espace plat, et une constante cosmologique positive avec une probabilité de 99 %. Dans un Univers plat où la matière fournit 28 %, il reste environ 72 % pour la constante. Vingt ans plus tard, Planck donne 31,5 % de matière et 68,5 % d'énergie noire ; les deux nombres tombent dans la marge de 1999.

Le résultat a pris ses auteurs à contre-pied. Les deux équipes avaient tendu leurs instruments vers des lueurs parties il y a des milliards d'années pour y lire de combien l'expansion ralentissait, et ces lueurs, trop faibles, trop loin, leur rendaient l'inverse : elle ne ralentit plus, elle accélère. Que deux équipes indépendantes, avec leurs propres supernovas et leurs propres analyses, soient arrivées à la même conclusion fait la force du résultat. Le prix Nobel de physique 2011 a récompensé Saul Perlmutter, Brian Schmidt et Adam Riess pour cette découverte ; le rôle de Schmidt, les sources de ce livre ne le décrivent pas.

La découverte a résolu en passant un problème plus ancien. Avant 1998, un Univers fait de matière seule, calculé avec les taux d'expansion mesurés à l'époque, paraissait plus jeune que ses plus vieilles étoiles. Un Univers qui accélère aujourd'hui s'étendait plus lentement dans son passé récent ; il lui a fallu plus de temps pour atteindre sa taille actuelle, et l'accélération allonge l'âge calculé. L'équipe de Perlmutter en déduisait, pour un Univers plat, un âge d'environ 14,9 milliards d'années, calculé pour un taux d'expansion de 63 kilomètres par seconde et par mégaparsec ; ramené au taux de Planck, le chiffre tombe à moins de 1 % de la valeur actuelle. L'Univers cessait d'être plus jeune que ses étoiles.

Deux semaines après le Soleil

Ce que les supernovas avaient trouvé est une composante qui ne réagit pas à l'expansion comme la matière. La matière se dilue : une quantité fixe de particules occupe un volume qui grandit, et sa densité baisse en proportion du volume ; quand les distances doublent, le volume est multiplié par huit, et la densité de la matière divisée par huit. L'énergie noire garde la même densité à mesure que l'espace grandit. Elle ne se raréfie pas, la part de chacune des deux change avec le temps, et la seconde finit par dominer.

On peut suivre ce changement à rebours avec les chiffres d'aujourd'hui. Planck donne 31,5 % de matière et 68,5 % d'énergie noire : la matière pèse un peu moins de la moitié de l'autre. Quand l'Univers avait la moitié de sa taille actuelle, la matière était huit fois plus dense et l'énergie noire aussi dense qu'aujourd'hui, près de 80 % du total contre à peine plus de 20. À l'époque de MoM-z14, vue 280 millions d'années après le début, l'Univers était plus de quinze fois moins étiré, et l'énergie noire ne faisait plus que 0,06 % de son contenu. Au moment où la première lumière s'est libérée, elle en faisait de l'ordre du milliardième. Les 68 % ne valent qu'aujourd'hui ; il y a dix milliards d'années, la matière dominait, et ils ne s'appliquent à aucune des époques que ce livre a racontées. Les dates du premier jour, des trois minutes et des 380 000 ans, prises dans cette matière qui pesait tout, ne dépendent presque pas de ce qu'est l'énergie noire.

Une densité qui baisse sans cesse finit toujours par passer sous une densité qui ne change pas, pourvu que la seconde ne soit pas nulle. Aucun événement n'a déclenché cette bascule ; elle découle des deux manières de se diluer, et seule sa date restait à établir. Les chronologies de référence font commencer l'ère dominée par l'énergie noire un peu moins de 10 milliards d'années après le Big Bang, plus de 9,8. Le Soleil naît environ 9,2 milliards d'années après le Big Bang, 13,8 milliards d'années d'Univers moins les 4,57 des plus vieux solides du Système solaire : six cents millions d'années plus tôt. Sur l'année cosmique, le Soleil tombe à la charnière d'août et de septembre, et la bascule vers la mi-septembre, deux semaines plus tard. Les deux dates n'ont pas le même statut. Celle du Soleil est lue dans des pierres, par la radioactivité ; celle de la bascule est calculée dans le modèle standard. Personne n'a observé l'instant où l'énergie noire a dépassé la matière. Il n'y a eu ni lueur ni secousse : une densité qui descendait depuis le premier jour a passé sous une autre qui n'avait jamais bougé, partout à la fois, et l'Univers a continué de grandir. Avec les densités de Planck, on vérifie à la main que matière et énergie noire s'égalent quand l'Univers mesurait environ les trois quarts de sa taille actuelle ; convertir cette taille en années demande le taux d'expansion actuel, sur lequel deux mesures s'opposent. La date de 9,8 milliards d'années est précise dans le modèle, et dépendante de lui.

Le moment où l'énergie noire l'emporte n'est pas celui où l'expansion commence à accélérer. Les tables du Particle Data Group, calculées avec les paramètres de Planck, placent le début de l'accélération à 7,70 milliards d'années, à un dixième près : deux milliards d'années avant que l'énergie noire ne domine, un milliard et demi avant la naissance du Soleil. À cette époque, la matière pèse encore à peu près deux fois l'énergie noire, et celle-ci suffit à accélérer l'expansion dès qu'elle atteint la moitié de la densité de la matière, son effet accélérateur étant, à densité égale, deux fois plus fort que le freinage de la matière, pour une raison qui tient à sa pression négative. Le mot « tournant » désigne donc deux moments : vers 7,7 milliards d'années, l'expansion cesse de ralentir ; vers 9,8, l'énergie noire devient la composante principale de l'Univers. Le Soleil est né entre les deux, dans un Univers qui accélérait déjà, mais où la matière pesait encore plus lourd que l'énergie noire.

Depuis, l'expansion accélère, et cette accélération isole peu à peu les amas de galaxies les uns des autres. Un amas est un rassemblement de galaxies que leur gravité mutuelle retient ; celui de Coma, où Zwicky a pesé la première masse invisible, en est un. L'accélération n'agit pas sur ce qu'une gravité retient : la Galaxie, le Système solaire et la Terre ne grandissent pas. Elle agit sur les distances qui séparent les amas, et ces distances grandissent de plus en plus vite. Aucune relation de cause ne relie la naissance du Soleil à la bascule. L'une tient à la dilution de la matière dans un Univers qui grandit ; l'autre à l'effondrement d'un nuage de gaz dans une galaxie parmi des milliards. La coïncidence de date situe seulement le Soleil, et avec lui tout ce qui sera fait de sa matière, dans un Univers qui accélère.

Une règle dans les galaxies

Une découverte qui ne reposerait que sur les supernovas resterait exposée à une objection. Une seule méthode, appuyée sur une seule sorte d'objet, peut être trompée par une propriété de cet objet qu'on comprend mal : si les supernovas lointaines étaient réellement moins brillantes que les proches, pour une raison propre à la supernova elle-même ou à son environnement, elles paraîtraient plus loin sans que l'expansion y soit pour rien. Les sources de ce livre ne documentent pas les vérifications qu'ont faites les deux équipes sur ce point. Elles documentent deux méthodes indépendantes, où aucune supernova n'entre.

La première lit une règle inscrite dans la répartition des galaxies. Avant 380 000 ans, la matière ordinaire et la lumière formaient un plasma parcouru d'ondes sonores, que la libération de la lumière a figées, comme le chapitre de la première lumière l'a raconté ; la distance maximale qu'une de ces ondes a pu parcourir, l'horizon sonore, vaut 144 mégaparsecs ramenés à l'échelle d'aujourd'hui. Les ondes ont laissé une trace dans la matière elle-même : autour de chaque surdensité initiale, un peu de matière s'est retrouvée à cette distance, et les galaxies qui en sont nées gardent une légère préférence pour cet écart entre elles, que les cosmologistes appellent les oscillations acoustiques des baryons, BAO. En 2005, Daniel Eisenstein et ses coauteurs la détectent dans la répartition de 46 748 galaxies rouges lumineuses du relevé SDSS : un pic dans la corrélation entre galaxies, à une séparation de cent mégaparsecs comptés dans une unité qui dépend du taux d'expansion actuel, et qui correspond « excellemment » à la forme et à la position prédites de l'empreinte des oscillations de la recombinaison. Avec le taux de Planck, cette séparation vaut environ 148 mégaparsecs, près de 480 millions d'années-lumière, du même ordre que l'horizon sonore calculé.

Cette empreinte fournit une règle dont on connaît la longueur. On la retrouve à différentes distances, donc à différentes époques ; l'angle sous lequel on la voit et son décalage vers le rouge donnent chaque fois une distance, et l'on retrace ainsi l'histoire de l'expansion sans les supernovas, par une physique qui n'a rien de commun avec la leur, l'acoustique d'un plasma primordial d'un côté, l'éclat de supernovas de l'autre. Le relevé DESI a porté la méthode à une autre échelle : ses données de 2025 comptent plus de 14 millions de galaxies et de quasars, et forment la plus vaste carte en trois dimensions de l'Univers jamais construite, qui retrace l'influence de l'énergie noire sur les onze derniers milliards d'années.

La seconde méthode indépendante est celle du chapitre précédent. La taille apparente du premier pic du fond diffus renseigne sur la courbure de l'espace, les données s'accordent avec un espace plat, et toute la matière, ordinaire et noire, n'en fournit qu'environ 31 % ; il manque environ 68 %, que le fond diffus fixe par soustraction, en s'appuyant sur la platitude. Cette méthode ne dit rien de la manière dont l'énergie noire agit dans le temps ; elle dit combien il en faut. Les trois se recoupent, et chacune lit une lumière d'un autre âge : les supernovas, un éclat vu à des décalages vers le rouge inférieurs à 1 ; les oscillations acoustiques, une règle dans la répartition des galaxies sur onze milliards d'années ; le fond diffus, une géométrie sur une lumière émise vers 380 000 ans. Toutes réclament la même part, de 68 à 70 % de la densité critique, que la matière ne peut pas fournir. Cet accord établit l'existence de l'accélération, et d'une composante qui ne se dilue pas ; il n'en établit pas la cause.

Quatre atomes par mètre cube

L'hypothèse la plus simple pour remplir le trou porte un nom depuis longtemps, la constante cosmologique, notée Λ : un terme ajouté aux équations d'Einstein, celles de la relativité générale, qu'on peut interpréter comme l'énergie du vide. C'est le Λ du modèle standard, ΛCDM. L'idée que le vide ait une énergie n'est pas nouvelle dans ce livre : le chapitre sur le rien a montré que le vide des physiciens n'est pas l'absence de tout, mais l'état de plus basse énergie des champs qui décrivent la matière et la lumière, et que cet état possède des propriétés, dont une énergie. Si l'espace vide porte une énergie propre, cette énergie ne se dilue pas quand l'espace grandit : chaque volume nouveau apporte la même énergie par unité de volume que les anciens.

Sa densité est infime : à peu près la masse de quatre atomes d'hydrogène par mètre cube. Quatre atomes dans un mètre cube d'espace, et le même compte dans le mètre cube voisin, et dans chacun, jusqu'au bout de ce qui se voit. Dans un laboratoire, dans le Système solaire, à l'intérieur d'une galaxie, cette densité est écrasée par celle de la matière présente, et aucune expérience locale ne la détecte. Elle l'emporte seulement à l'échelle de l'Univers entier, parce qu'elle est la même partout, dans les immenses espaces entre les amas comme ailleurs, là où la matière s'est diluée et où quatre atomes par mètre cube pèsent plus que ce qu'elle y laisse.

La constante cosmologique a une autre propriété, qui explique l'accélération. Les cosmologistes caractérisent chaque composante de l'Univers par son équation d'état, notée w, le rapport entre sa pression et sa densité d'énergie ; pour la constante, w vaut −1 : sa pression est négative, égale en valeur à sa densité d'énergie. En relativité générale, la pression d'une composante contribue elle aussi à sa gravité, et une pression négative assez forte produit l'inverse d'une attraction. C'est ce qui donne à l'énergie noire, à densité égale, un effet accélérateur deux fois plus fort que le freinage de la matière, et ce qui fait commencer l'accélération vers 7,7 milliards d'années, bien avant que l'énergie noire ne domine.

L'Univers a déjà connu une telle expansion accélérée. L'inflation, au début de ce livre, était elle aussi une phase d'expansion accélérée, portée par un champ, brève et d'une tout autre intensité. Rien, dans les sources de ce livre, ne relie les deux épisodes, ni ne dit qu'ils aient une même cause.

Reste le désaccord qui empêche la constante d'être une explication. Si l'énergie noire est l'énergie du vide, la physique doit pouvoir en calculer la valeur. Elle le fait, avec la théorie quantique des champs, qui décrit les particules élémentaires, et le résultat est environ 120 ordres de grandeur trop grand. Un ordre de grandeur est un facteur dix ; 120 ordres de grandeur font un 1 suivi de cent vingt zéros. Quatre atomes par mètre cube, mesurés ; le même compte multiplié par un 1 suivi de cent vingt zéros, calculé. C'est l'un des désaccords les plus massifs de la physique, et les sources de ce livre n'en détaillent pas le calcul. Si l'observation est juste, et trois méthodes la confirment, alors ou bien le calcul est faux, ou bien il omet quelque chose qui compense presque exactement la valeur calculée, et que rien de connu n'explique.

Une constante ou un champ

L'alternative à la constante est un champ dynamique, qu'on appelle la quintessence, dont l'énergie pourrait varier dans le temps. Dans ce cas, l'énergie noire ne garderait pas exactement la même densité : son w s'écarterait de −1. C'est ce que le relevé DESI croit entrevoir. Ses mesures de 2025, combinées au fond diffus, préfèrent une énergie noire variable à un peu plus de trois écarts-types, entre trois et quatre avec les supernovas selon l'échantillon : une énergie noire qui se comporterait aujourd'hui un peu moins qu'une constante, en léger déclin. Le chiffre le plus élevé reposait sur des supernovas dont la recalibration, en 2026, le ramène à 3,2 écarts-types, une « faible préférence » selon ses auteurs, et aucune combinaison n'atteint les cinq qu'on exige d'une découverte. Le principe de ce chapitre n'en serait pas renversé : une énergie noire en léger déclin se diluerait encore beaucoup moins vite que la matière, et la bascule aurait bien eu lieu ; sa date et, surtout, l'avenir de l'expansion changeraient.

Une contestation minoritaire porte sur l'existence même de l'accélération. Le modèle dit timescape, défendu par David Wiltshire, soutient que les horloges des galaxies, situées dans des régions denses, et celles des grands vides en expansion libre divergent assez pour fausser tout modèle homogène ajusté à l'Univers ; l'accélération serait une apparence, et l'énergie noire une « identification erronée ». En 2025, Antonia Seifert et ses coauteurs trouvent, sur l'échantillon de supernovas Pantheon+, une préférence statistique « très forte » pour ce modèle. Le résultat est récent et ne repose que sur des supernovas ; les analyses de Planck, d'ACT, de SPT et de DESI supposent un Univers homogène et s'y ajustent bien. Pour que le timescape l'emporte, il faudrait qu'il rende compte aussi des oscillations acoustiques et du fond diffus, et les sources de ce livre ne disent pas s'il le fait.

On ne sait pas ce qu'est l'énergie noire. Deux hypothèses s'opposent, une constante dont la densité ne change jamais, ou un champ dont la densité évolue, et une seule grandeur mesurable les sépare, w et sa variation dans le temps, dont une analyse limitée aux données de l'Univers tardif ne trouve pas de trace robuste. Tant que dure le désaccord des 120 ordres de grandeur, interpréter l'énergie noire comme l'énergie du vide reste une hypothèse que la théorie de référence contredit. La date de la bascule n'existe que dans le modèle : les rapports de taille se vérifient à la main, leur conversion en années dépend d'un taux d'expansion sur lequel deux mesures s'opposent. Deux évolutions départageraient les hypothèses, des données DESI plus nombreuses et une calibration des supernovas qui ne bouge plus d'une analyse à l'autre. Si le signal franchissait cinq écarts-types, la constante cosmologique serait écartée ; s'il retombait, elle resterait l'hypothèse la plus simple.