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Y a-t-il plus d’une énergie sombre?

Paul M. Sutter est astrophysicien à SUNY Stony Brook et le Flatiron Institute, hôte de Demandez à un Spaceman et Radio spatiale, et auteur de Comment mourir dans l’espace. Il a contribué cet article à 45secondes.fr’s Voix d’experts: opinions et idées.

Nous ne savons pas ce qu’il y a derrière énergie noire, le nom que nous donnons à l’ère actuelle d’expansion accélérée de l’univers. De nombreux théoriciens préfèrent une sorte de champ quantique comme moteur de l’énergie noire, mais ces idées sont difficiles à concilier avec les idées de la théorie des cordes.

Mais une nouvelle recherche propose une solution radicale: et s’il y a plus d’un agent cosmologique pour l’énergie noire? Ce mélange aurait des effets étranges dans notre univers, le rendant potentiellement détectable avec les enquêtes à venir.

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Dans l’obscurité nous allons

Non seulement nous vivons dans un univers en expansion – nous avons appris qu’il y a environ 100 ans, avec Les observations d’Edwin Hubble de galaxies s’éloignant de nous – mais nous vivons dans un univers dont l’expansion s’accélère. Depuis environ 5 milliards d’années, le taux d’expansion de notre cosmos a augmenté, accélérant la croissance de l’univers chaque jour qui passe.

Pour le dire légèrement, nous n’avons aucune idée de ce qui cause cette expansion accélérée. Nous l’avons remarqué pour la première fois il y a environ 20 ans en étudiant supernovae, et depuis lors une pléthore d’observations indépendantes (y compris, mais sans s’y limiter: fond de micro-ondes cosmique, oscillations acoustiques baryoniques, vides cosmiques et plus) ont tous confirmé que l’expansion accélérée est la vraie affaire.

Au lieu d’une explication réelle, les cosmologistes ont plutôt donné à l’expansion accélérée un surnom sympa: l’énergie noire. Même si nous ne savons pas ce qu’est l’énergie noire, au fil des ans, les théoriciens ont fait de faibles tentatives pour l’expliquer (car, évidemment, elle doit avoir une source physique, et expliquer les sources physiques des choses que nous voyons dans la nature est le travail des théoriciens).

L’une des idées les plus attrayantes qui circulent est qu’il existe une sorte de champ quantique qui est responsable de l’énergie noire et du maintien de la pédale au métal cosmologique. Les champs quantiques sont assez pratiques – ils absorbent chaque bit d’espace-temps et sont responsables de la génération des forces et des particules qui composent notre existence quotidienne – et il n’est donc pas si fou d’imaginer qu’il existe un nouveau champ quantique (jamais connu auparavant). science) qui a juste les bonnes propriétés pour déclencher une expansion accélérée.

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Vidange du marécage

Donc, peut-être que l’énergie sombre est causée par un champ quantique qui imprègne tout l’espace-temps. Compris, pas grand chose. Même si cela semble a) simple et b) attrayant, cette hypothèse présente certains inconvénients. Mais pour parler des inconvénients, je dois parler de théorie des cordes.

La théorie des cordes est une tentative d’unir toutes les forces de la nature sous un même toit mathématique – une théorie de tout. Dans la théorie des cordes, chaque particule et chaque force est vraiment une manifestation de minuscules cordes vibrantes super-duper. Mais pour expliquer toute la richesse et la variété de l’univers physique, ces cordes ne peuvent pas simplement vibrer en trois dimensions. Ils ont besoin de plus d’espace. Pour faire fonctionner la théorie des cordes, notre univers a besoin de quelques dimensions supplémentaires, toutes minuscules et recroquevillées sur elles-mêmes, où les cordes peuvent faire leur travail et donner naissance à la physique. Tout cela se produit à la plus petite échelle, c’est pourquoi nous ne l’avons pas encore remarqué.

L’un des plus gros maux de tête auxquels la théorie des cordes est confrontée, et pourquoi ce n’est pas une théorie complète de la nature, est que nous n’avons aucune idée de la façon dont ces dimensions supplémentaires sont recroquevillées. Il pourrait y avoir jusqu’à 10 ^ 200 configurations possibles, et chaque configuration de dimensions enroulées donne un nouvel ensemble de physique. Puisque nous ne vivons que dans un univers avec un seul ensemble de physique, une seule de ces configurations peut être la nôtre. Mais lequel?

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Les théoriciens des cordes ont fait quelques tentatives pour séparer le bon grain de l’ivraie, et au moins rejettent certaines configurations potentielles des dimensions recroquevillées comme définitivement pas cet univers.

Un problème: à première vue, il semble que les univers qui permettent une énergie sombre causée par un champ quantique ne soient pas compatibles avec d’autres choses que nous savons sur la théorie des cordes. Dans le jargon filandreux, l’énergie sombre semble vivre dans le «marécage», les configurations possibles de dimensions recroquevillées qui ne fonctionnent tout simplement pas.

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Une façon de regarder cette énigme est de pointer vers la réalité de l’énergie noire et de dire que la théorie des cordes est fausse – après tout, si la théorie des cordes ne peut pas prédire un univers qui a de l’énergie sombre, alors ce n’est probablement pas un bon choix en tant que théorie de tout.

Ou peut-être que nous ne pensons pas à l’énergie noire de la bonne manière, comme le prétend un article récent apparaissant dans le journal de pré-impression arVix. Il se pourrait qu’il n’y ait pas qu’un seul champ quantique responsable de l’énergie noire, mais plusieurs travaillant ensemble de concert. Ce n’est pas aussi fou que cela puisse paraître; il suffit de penser à toutes les physiques compliquées qui entrent en jeu pour attacher vos chaussures et rappelez-vous que la nature n’a aucune obligation d’être simple et directe.

En permettant à plusieurs champs quantiques de générer de l’énergie noire, il pourrait être possible que la théorie des cordes soit toujours pertinente dans notre univers, car ces modèles peuvent ne pas être coincés dans le «marécage».

Mais cela signifie que nous devons trouver des preuves qu’il y a plus d’un agent responsable de l’énergie noire.

Il s’avère que dans ces modèles d’énergie noire multiple, il est possible que l’énergie sombre s’agglutine sur elle-même, ce qui signifie que vous pouvez voyager dans l’univers et trouver des taches d’énergie sombre inférieure à la moyenne et supérieure à la moyenne. Au total, à travers le cosmos, l’effet à grande échelle est toujours le même (à savoir, l’expansion accélérée), mais un excès d’énergie noire ici ou un déficit là-bas pourrait affecter la façon dont les plus grandes structures de l’univers, comme les amas de galaxies et les grands vides cosmiques, grandissent et évoluent.

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Nous n’avons pas encore la sensibilité pour mesurer ces différences, mais des expériences futures comme celle de la NASA Télescope spatial romain Nancy Grace pourrait fournir des informations, nous aider à déterminer si nous vivons vraiment dans les marais ou non.

Lire la suite: « Énergie noire multi-champ: accélération cosmique sur un fort potentiel« 

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