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Quelle est la constante cosmologique?

La constante cosmologique est vraisemblablement une forme énigmatique de matière ou d’énergie qui agit en opposition à la gravité et est considérée par de nombreux physiciens comme équivalente à énergie noire. Personne ne sait vraiment ce qu’est exactement la constante cosmologique, mais elle est requise dans les équations cosmologiques afin de réconcilier la théorie avec nos observations de l’univers.

Qui a inventé la constante cosmologique?

Albert Einstein, le célèbre physicien germano-américain, a proposé la constante cosmologique, qu’il appelée «constante universelle», en 1915 pour équilibrer certains calculs dans sa théorie de relativité générale. À l’époque, les physiciens pensaient que l’univers était statique – ni en expansion ni en contraction – mais les travaux d’Einstein suggéraient que la gravité l’amènerait à faire l’un ou l’autre. Ainsi, pour s’accorder avec le consensus scientifique, Einstein a inséré un facteur de fudge, désigné par la lettre grecque lambda, dans ses résultats, ce qui a maintenu le cosmos immobile.

Pourtant, un peu plus d’une décennie plus tard, l’astronome américain Edwin Hubble a remarqué que les galaxies s’éloignaient de nous, indiquant que l’univers était en expansion. Einstein a appelé lambda sa «plus grande erreur».

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Les observations de Hubble ont annulé le besoin d’une constante cosmologique pendant des décennies, mais cela a changé lorsque les astronomes examinant des supernovas éloignées à la fin des années 1990 ont découvert que le cosmos était non seulement en expansion, mais qu’il accélérait dans son expansion. Ils ont nommé la mystérieuse force anti-gravité nécessaire pour expliquer ce phénomène « énergie noire.  »

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Dans les années 1920, le physicien russe Alexander Friedmann a développé une équation, maintenant appelée équation de Friedmann, qui décrit les propriétés de l’univers à partir du Big Bang en avant, selon un tutoriel en ligne de Université d’État de Géorgie.

En dépoussiérant le lambda d’Einstein et en le branchant dans les équations de Friedmann, les chercheurs pourraient modéliser correctement le cosmos – c’est-à-dire avec un taux d’expansion accéléré. Cette version de l’équation de Friedmann forme maintenant l’épine dorsale de la théorie cosmologique contemporaine, connue sous le nom de ΛCDM (Lambda CDM, où CDM signifie matière noire froide) et rend compte de toutes les composantes connues de la réalité.

Alors, quel est ce nombre magique alors?

Cependant, personne ne comprend vraiment ce qu’est le lambda. La plupart des physiciens le considère comme interchangeable avec le concept d’énergie sombre, mais cela ne rend pas les choses plus claires car l’énergie sombre est simplement un espace réservé décrivant une substance anti-gravité inconnue. Nous sommes donc revenus à l’utilisation du facteur fudge d’Einstein.

Une explication potentielle de la constante cosmologique réside dans le domaine de la physique des particules moderne. Des expériences ont vérifié que l’espace vide est imprégné par d’innombrables particules virtuelles qui surgissent et disparaissent constamment. Cette action incessante crée ce que l’on appelle une « énergie du vide », ou une force provenant d’un espace vide, inhérente au tissu de espace-temps qui pourrait séparer l’univers.

Ce graphique montre une carte des taux d'expansion de l'univers dans différentes directions, estimés dans une nouvelle étude réalisée par Konstantinos Migkas et ses collaborateurs.  La carte est en coordonnées galactiques, avec le centre regardant vers le centre de notre galaxie.  Les couleurs noire et violette indiquent les directions des taux d'expansion les plus faibles (la constante de Hubble);  le jaune et le rouge indiquent les directions des taux d'expansion les plus élevés.

Ce graphique montre une carte des taux d’expansion de l’univers dans différentes directions. La carte est en coordonnées galactiques, avec le centre regardant vers le centre de notre galaxie. Les couleurs noire et violette indiquent les directions des taux d’expansion les plus faibles (la constante de Hubble); le jaune et le rouge indiquent les directions des taux d’expansion les plus élevés. (Crédit d’image: Université de Bonn / K. Migkas et al.)

Mais relier l’énergie du vide à la constante cosmologique n’est pas simple. Sur la base de leurs observations de supernovas, les astronomes estiment que l’énergie noire devrait avoir une valeur faible et modérée, juste assez pour séparer tout ce qui se trouve dans l’univers pendant des milliards d’années.

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Pourtant, lorsque les scientifiques tentent de calculer la quantité d’énergie qui devrait provenir du mouvement des particules virtuelles, ils arrivent à un résultat 120 ordres de grandeur supérieur à ce que suggèrent les données des supernovae.

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Pour ajouter à l’énigme, certains chercheurs ont proposé que la constante cosmologique ne soit pas du tout une constante, mais qu’elle change ou fluctue avec le temps. Cette théorie est appelée quintessence et certains projets, comme le Enquête sur l’énergie sombre, font actuellement des observations précises pour voir s’il a un support d’observation.

En attendant, les cosmologistes continueront à utiliser lambda. Ils ne savent peut-être pas ce que c’est, mais ils savent qu’ils en ont besoin pour donner un sens à l’univers.

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