En 1929, l’ astronome Edwin Hubble a jeté un immense pavé dans la mare avec une découverte révolutionnaire qui allait transformer l’astrophysique jusque dans ses fondements : il a prouvé pour la première fois que notre Univers est en expansion.
Cette observation a eu des conséquences extrêmement profondes. Par exemple, ses travaux ont permis de prouver que l’Univers tel qu’on le connaît n’est pas éternel, et qu’on peut même lui attribuer un âge précis. Cela a directement conduit à un tas d’autres trouvailles monumentales, comme le renforcement de la théorie du Big Bang proposée un peu plus tôt par Georges Lemaître.
Mais près d’un siècle plus tard, malgré les progrès de la technique, les mécanismes de cette expansion restent encore mal définis. Ces zones d’ombres ont conduit à l’apparition de nouveaux concepts qui permettraient d’expliquer le phénomène.
En 1998, cette thématique a pris un nouveau tournant majeur grâce aux travaux des physiciens Saul Perlmutter, Brian Schmidt et Adam Reiss. Dans une série de travaux qui leur ont valu un prix Nobel en 2011, ils ont prouvé que l’expansion de l’univers accélère au fil du temps. En d’autres termes, non seulement les autres corps célestes s’éloignent, mais ils le font de plus en plus rapidement.
Cette découverte a laissé la communauté scientifique perplexe. Car selon les modèles en vigueur, cette expansion devrait pourtant ralentir au fil du temps sous l’effet de la gravitation.
L’énergie noire, le moteur de l’Univers
Pour tenter d’expliquer cette accélération, les trois savants ont introduit la notion d’énergie noire. Ce terme désigne une force jamais identifiée de façon concrète, mais dont on peut prouver qu’elle est omniprésente dans le cosmos; les spécialistes estiment aujourd’hui qu’elle représente environ 70% de l’énergie totale de l’Univers. Son influence serait telle qu’elle surpasserait celle de la gravitation, conduisant ainsi à l’expansion que l’on observe depuis la Terre.
Jusqu’à présent, personne n’a encore trouvé le moindre indice qui permettrait de prouver avec certitude la source de cette force mystérieuse. Mais cela pourrait bientôt changer. Une équipe internationale de chercheurs affiliée à l’Université d’Hawai vient d’apporter un premier élément de réponse convaincant.
Dans leurs derniers travaux, ils expliquent avoir trouvé un candidat prometteur : les trous noirs.
Il existe aujourd’hui deux mécanismes bien identifiés qui permettent à ces objets de grandir. Pour gagner de la masse, ils peuvent évidemment dévorer tous les gaz et poussières qui passent à leur portée; on parle d’accrétion. Mais ils peuvent aussi fusionner lors de ce que les anglophones appellent un black hole merger.
L’énergie du vide proviendrait des trous noirs
À partir de cette information, les astrophysiciens peuvent estimer la masse théorique d’un trou noir en fonction de son âge. Mais lorsqu’ils ont tenté de modéliser la croissance d’une série de trous noirs très anciens sur une période de 9 milliards d’années, ils se sont retrouvés face à une incohérence flagrante.
En effet, ces mastodontes à l’âge canonique étaient encore bien plus énormes que prévu – à tel point que l’accrétion et les mergers ne suffisent plus du tout à expliquer cette masse phénoménale.
C’est une découverte très importante. Car comme pour la découverte de l’expansion de l’Univers, cela suggère qu’il manque une pièce importante du puzzle dans les modèles modernes. Il y a forcément un autre facteur qui permet d’expliquer ces résultats. Tout l’enjeu, c’est de trouver de quoi il s’agit.
Et pour les auteurs, c’est justement cette fameuse énergie noire. Plus précisément, ils estiment que c’est l’énergie du vide qui est responsable de ce surplus de masse.
D’après le communiqué des chercheurs, ce terme désigne “la composante principale de l’énergie noire, une forme d’énergie qui fait partie intégrante de l’espace-temps lui-même”. C’est cette force qui “repousse les frontières de l’univers et accélère son expansion“.
Des implications énormes à tous les niveaux
Le fait d’en avoir trouvé la trace dans ces vieux trous noirs représente la “première preuve observationnelle” d’un “couplage cosmologique” entre la croissance inexpliquée de ces corps célestes et l’accélération de l’expansion de l’Univers.
Comme toujours en science et surtout en astrophysique, des tas de travaux supplémentaires seront nécessaires pour valider cette interprétation. Mais le cas échéant, il s’agirait d’une découverte aux implications énorme.
En effet, ce couplage cosmologique pourrait complètement redéfinir la notion de trou noir. Par exemple, cela pourrait permettre de surmonter le problème de la singularité, qui reste à ce jour l’un des principaux écueils des travaux d’Einstein.
Ce terme repris à tort et à travers par la science-fiction désigne un point de l’espace-temps où certaines mesures physiques deviennent infinies – et cela pose un gros problème dans le cadre de la relativité générale. Car en pratique, le concept s’accorde assez mal avec cette théorie pourtant si solide (voir notre article). Car mathématiquement parlant, décrire une singularité, “cela revient à essayer de diviser zéro par zéro“, explique le Dr. Chris Pearson, l’un des responsables de l’institut anglais RAL Space.
“Les chercheurs aimeraient donc s’en débarrasser“, continue-t-il. “Et cette nouvelle théorie nous offre un moyen de contourner le problème de la singularité en expliquant que les trous noirs contiennent cette énergie noire, cette énergie du vide initialement prédite par Einstein. Donc ça établit un lien élégant entre la relativité générale et la théorie des trous noirs dans un univers en constante évolution“, conclut-il.
Et sachant que ces concepts occupent une place extrêmement importante dans les modèles cosmologiques modernes, nous pourrions bien être au tout début d’une véritable révolution de l’astrophysique, 25 ans après l’entrée en scène de l’énergie noire.
La publication parue dans The Astrophysical Journal est disponible ici.
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