Article.
D'hypothétiques particules surnommées
Caméléons à l'origine de l'énergie
noire?
Jean-Paul
Baquiast 09/09/2010
On
appelle énergie noire une force d'expansion
découverte il y a quelques années et
qui à très grande échelle éloignerait
les galaxies les unes des autres, alors que selon
la loi de la gravité, elles devraient progressivement
se rapprocher. D'après le modèle cosmologique
standard, notre univers serait né il y a environ
13,6 milliards d'années, émergeant d'une
fluctuation de l'hypothétique vide quantique
(un électron se matérialisant et « pompant »
l'énergie alentour) au cours d'un événement
dit Big Bang, suivi immédiatement d'une phase
d'inflation l'ayant fait passé de la taille
d'un atome à celle d'environ une orange.
Tous
les corps et particules aujourd'hui connus auraient
été formés à cette occasion,
en même temps que se mettait en place l'espace-temps.
L'expansion se serait poursuivie sur un mode plus
modérée. Elle devrait en principe ralentir
et s'arrêter, du fait de l'épuisement
de l'impulsion initiale. La force de gravité
devrait alors prendre le dessus en rapprochant les
corps les uns des autres. L'univers pourrait alors
se contracter de plus en plus vite, retrouvant son
état ponctuel initial (Big Shrink).
Or
deux types d'observations ont conduit depuis quelques
années à remettre en cause ce modèle.
Le premier ne concerne pas directement le thème
de cet article, mais il peut y être lié.
Il s'agit de la répartition et la nature des
masses générant une force de gravité.
Des systèmes d'astres comme les galaxies et
les amas de galaxies ne pourraient conserver leur
cohésion interne et leurs orbites respectives
s'ils étaient composés de matière
ordinaire, celle que les observations astronomiques
permettent d'observer. Elle est loin d'être
en quantité suffisante pour empêcher
la dispersion dans l'espace de ces systèmes
galactiques. On en déduit qu'il devrait exister
une matière non observable, dite pour cette
raison matière noire. Elle composerait la masse
manquante, soit quelques 90% du total.
La recherche et l'identification de cette matière
noire fait aujourd'hui l'objet de nombreux programmes.
Mais cette matière noire, quelle qu'elle soit,
ne devrait pas remettre en cause la "constante
cosmologique" résultant d'un équilibre
évoluant lentement entre forces d'expansion
et forces de contraction. La vitesse d'expansion des
galaxies avait été calculée à
la suite des observations de Hubble relatives au décalage
vers le rouge de la lumière nous en parvenant.
Ces observations montraient qu'avec le temps, c'est-à-dire
avec l'âge des galaxies, cette vitesse diminuait
régulièrement.
L'énergie
noire
Plus
exactement, on pensait qu'elles le montraient...mais
il s'avère aujourd'hui que ce n'est plus tout
à fait le cas. C'est là qu'intervient
l'énergie noire. Des observations complexes
portant sur les témoins de l'expansion que
sont les supernovae lointaines paraissent prouver
qu'il y a 5 milliards d'années environ, l'expansion
de l'univers, loin de ralentir, a repris de la force.
On emploie le terme d'énergie noire car, comme
en ce qui concerne la matière noire, si les
effets de cette énergie paraissent aujourd'hui
indiscutables, il n'a pas été possible
à ce jour de l'observer ou de la produire en
laboratoire. Elle n'interagirait directement ni avec
la matière ni avec la lumière, que ce
soit sur Terre ou dans l'univers visible.
Ceci
ne voudrait pas dire (comme d'ailleurs en ce qui concerne
la matière noire) qu'elle ne serait pas déjà
là, présente et active. On parle d'une
5e force qui s'ajouterait aux 4 forces du modèle
standard de la physique: gravité, électromagnétisme
(lumière), force nucléaire forte (cohésion
interne des noyaux atomiques et force nucléaire
faible (cohésion des électrons autour
des noyaux). Mais pour que cette 5e force soit crédible,
il faudrait admettre qu'elle change en fonction de
son environnement. Elle serait quasi imperceptible
dans les milieux très denses comme sur Terre.
Elle serait au contraire très énergique
dans les milieux presque vides de matière caractérisant
l'espace cosmologique. 
D'où
le nom de force Caméléon, ou celui de
particules Caméléons pour désigner
les systèmes d'onde-particule par lesquels
cette 5e force se manifesterait. A l'échelle
cosmologique, la 5e force, force d'expansion, ajouterait
son influence à celle de l'expansion initiale
en voie d'épuisement. L'univers subirait donc
une inflation qui risquerait de devenir à terme
exponentielle.
On
se demandera sans doute pourquoi postuler d''emblée
que cette 5e force serait une force d'expansion, et
non par exemple une force de contraction? On peut
répondre d'abord qu'il ne s'agit pas d'un postulat
mais d'une constatation: les observations sur les
supernovae précitées laissent penser
que l'univers a repris son expansion il y a 5 milliards
d'années environ. Il faut donc comprendre pourquoi.
Par ailleurs, l'apparition de particules énergétiques
s'organisant en champ génère de la tension
et non de l'effondrement.
Il
existe évidemment d'autres hypothèses
concernant d'éventuelles variations à
l'échelle cosmologique de la force de gravité
modifiant la vitesse d'expansion relative des corps
célestes – à supposer que les observations
relatives à la vitesse d'expansion des supernovae
soient fondées. On cite en particulier le modèle
de l'univers inhomogène en gruyère.
L'accélération ne serait qu'une illusion
optique, due à une distribution non homogène
de matière dans l'univers. Se pose aussi la
question de l'inflation primordiale supposée.
Est-elle liée à des particules hypothétiques
dites inflatons et quel rôle celles-ci joueraient
elles encore? Le sujet sera étudié prochainement
au Cern, ainsi que les hypothèses associées
dites de Supersymétrie, lorsque le LHC entrera
pleinement en action
Mais
parmi ces diverses hypothèses, l'hypothèse
Caméléon présenterait l'avantage,
comme l'expose Eugénie Samuel Reich, l'auteur
de l'article du NewScientist référencé
ci-dessous, d'être testable par les astrophysiciens,
le cas échéant dans le milieu terrestre.
C'est là qu'interviennent deux physiciens ayant
précédemment collaboré avec le
spécialiste bien connu de la théorie
des cordes, Brian Greene. Il s'agit de Justin Khoury
et Amanda Weltman, qui ont émis dès
2004 l'hypothèse de cette force Caméléon.
L'équipe
a suggéré que la 5e force éventuelle
pourrait être associée à des particules
dont la masse serait variable, d'où son surnom.
Elle dépendrait de la densité de matière
les entourant. Cette masse serait faible sur Terre
où la densité de matière ordinaire
est très élevée, ce qui les rendrait
non inobservables, du moins difficilement observables,
mais elle serait forte dans l'espace cosmologique.
On objectera que l'agent proposé pour la 5e
force semble un peu ad hoc, c'est-à-dire avoir
été défini pour répondre
à la question posée. Ainsi, pour trouver
l'auteur introuvable d'un crime commis dans l'obscurité,
la police ferait l'hypothèse que ce crime aurait
été commis par une personne habillée
de noir.
Mais
l'hypothèse de la force Caméléon
ne surgit pas que de l'imagination des chercheurs.
Elle s'appuie sur une loi de la mécanique quantique.
Pour celle-ci, la portée d'une force dépend
de la masse des particules créant le champ
associée. Plus légère est la
particule, plus grande est la portée de la
force. Les champs électromagnétiques
produisent des photons dépourvus de masse,
la portée de la force électromagnétique
est donc quasi infinie. Au contraire les particules
transmettant les forces nucléaires sont très
lourdes. La portée de la force ne dépasse
pas les frontières de l'atome.
Vérifications
expérimentales?
Il
n'est donc pas aberrant d'imaginer une particule dont
la masse serait inversement proportionnelle à
la densité de matière l'environnant.
Il en serait de même du champ de force en découlant.
Dans l'espace, en l'absence d'autres masses, la masse
de la particule Caméléon, quasi inobservable
sur Terre, serait multipliée par quelques 10
puissance 20. Ces particules pourraient alors produire,
sous forme d'énergie, des forces très
puissantes s'exerçant sur des millions d'années-lumière
de distance. Encore faudrait-il pouvoir observer les
phénomènes en résultant. Or l'avantage
de l'hypothèse serait que la force Caméléon
ainsi définie pourrait produire à l'échelle
cosmologique une action répulsive s'exerçant
à l'encontre de la gravité. Il y a 5
milliards d'années, la densité du cosmos
aurait avec l'expansion suffisamment décru
pour que la force Caméléon puisse apparaître.
Il suffirait alors d'observer l'augmentation de la
vitesse comparée d'éloignement des galaxies
depuis cette date pour en déduire l'effet accélérateur
de la force sur leur vitesse d'expansion.
Il
se trouve que la force d'interaction entre la lumière
et la matière a été observée
depuis longtemps. Elle est associée à
une constante dénommée alpha. Si l'hypothèse
de la particule Caméléon était
consistante, selon Khoury et Weltman, cette particule
devrait interagir avec la lumière et la matière
d'une façon spécifique. Des photons
pourraient se transformer (decay) en Caméléons
et réciproquement, si bien que ces mouvements
de balance entre particules modifieraient la constante
alpha de la force électromagnétique.
Observe-t-on
de telles modifications s'exerçant sur les
mouvements des galaxies? Comme ces modifications seraient
de toutes façons très faibles, pour
certains cosmologistes, la réponse est négative.
Pour d'autres, utilisant divers observatoires notamment
le télescope Keck de Hawaï, ces modifications
ne seraient pas à exclure. Les observations
sont étendues aujourd'hui à la lumière
provenant d'étoiles situées à
l'intérieur de notre galaxie, dont la polarisation
serait différente selon la densité des
espaces traversées, révélant
ainsi la présence de l'hypothétique
Caméléon.
Les
physiciens intéressés par cette hypothèse
cherchent actuellement, de leur côté
, à répéter l'expérience
en laboratoire. Il s'agirait de mesurer des changements
de la gravité s'exerçant sur de petites
masses testées au sein de densités de
matière différentes, par exemple entre
la haute altitude et la surface. Ce sera un des objets
de l'expérience Microscope que le CNES français
espère réaliser en 2012 en étudiant
l'accélération de corps en chute libre
lancés d'un ballon. Largués en haute
altitude, ils devraient accélérer (légèrement)
davantage qu'à basse altitude, toutes choses
égales par ailleurs. D'autres
expériences cette fois-ci en laboratoire sont
également à l'étude.
Alpha
Notons
que des observations relatives à la force alpha,
définissant, rappelons-le, la force d'interaction
entre la matière et la lumière, observations
conduites par d'autres cosmologistes ne se référant
pas nécessairement à l'hypothèse
Caméléon, sont venues tout récemment
compliquer le tableau. Dans un article que vient de
publier, là encore, le NewScientist à
la signature de Michaël Brooks, selon l'astrophysicien
John Webb, opérant lui aussi à partir
de l'observatoire Keck, puis du Very Large Telescope
(VLT) au Chili, la lumière émanant des
très lointains quasars suggère des valeurs
d'alpha légèrement différentes
de celles observées sur Terre. Elles dépendraient
non plus du temps mais du lieu. La valeur d'alpha
serait partout ailleurs que dans notre environnement,
très légèrement supérieure
à celle régnant dans notre partie de
l'espace.
De
plus les variations d'alpha ne seraient pas uniformes.
Elles dessineraient une sorte de dipôle magnétique
pouvant correspondre à un mystérieux
alignement géant de galaxies semblant se diriger
vers les confins de l'univers. La raison de ce phénomène,
s'il se révèle exact, restera à
trouver. Caméléon y joue-t-il un rôle?
Quoiqu'il en soit, l'article rappelle que si alpha
n'avait pas sur Terre la valeur constante que nous
lui attribuons, la nucléosynthèse stellaire
n'aurait pas pu produire d'atomes de carbone, rendant
ainsi impossible la chimie organique carbonée
indispensable à la vie telle que nous la connaissons.
Il
restera à préciser les conséquences
de ces observations récentes sur le travail
des chasseurs de Caméléons évoqués
plus haut.
Références
Article:
Cameleon Cosmos, par Eugenie Samuel Reich.
Voir aussi les discussions des lecteurs
http://www.newscientist.com/article/mg20727711.100-is-a-cosmic-chameleon-driving-galaxies-apart.html?full=true
Justin
Khoury http://www.physics.upenn.edu/people/j.khoury.html
Amanda
Weltman http://www.fairlady.com/afro-optimist/dr-amanda-weltman-cosmologist
MICROSCOPE
(MICRO-Satellite à traînée Compensée
pour l'Observation du Principe d'Equivalence) http://smsc.cnes.fr/MICROSCOPE/Fr/
Article:
Laws of physics may change across the universe
par Michaël Brooks
http://www.newscientist.com/article/dn19429-laws-of-physics-may-change-across-the-universe.html
Article
J.K. Webb et al. Evidence for spatial variation
of the fine structure constant http://arxiv.org/abs/1008.3907
Automates
Intelligents s'enrichit du 