Explication du prix Nobel de physique : pourquoi l’univers en expansion s’accélère-t-il ? 
Janvier 1998 : L’accélération de l’expansion de l’univers
Au milieu des années 1990, deux équipes concurrentes ont commencé à observer les supernovas dans le but de déterminer la vitesse à laquelle l’expansion de l’univers ralentissait. À la grande surprise de tous, ils ont découvert exactement le contraire : l’expansion ne ralentissait pas, mais s’accélérait, entraînée par une mystérieuse force invisible. Début 1998, les chercheurs annoncent ces résultats étranges qui bouleversent le domaine de l’astrophysique.
Cependant, en 1929, Edwin Hubble a examiné les décalages vers le rouge des galaxies lointaines et a découvert que la vitesse à laquelle un objet s’éloigne de nous est proportionnelle à la distance de cet objet par rapport à nous. L’univers était en fait en expansion, pas du tout statique. La constante cosmologique semblait inutile, et Einstein l’a alors abandonnée, la qualifiant de sa plus grande bévue.
La recherche s’est concentrée sur la détermination de l’histoire de l’expansion de l’univers en regardant des objets extrêmement éloignés. La comparaison du décalage vers le rouge de ces objets avec leur distance donne une mesure de la vitesse d’expansion de l’univers.
À la fin des années 1980, une équipe appelée Supernova Cosmology Project, dirigée par Saul Perlmutter au Lawrence Berkeley National Laboratory, a commencé sa recherche de supernovas de type Ia.
À partir du milieu des années 1990, une deuxième équipe, appelée High-Z Supernova Search, dirigée par Brian Schmidt de l’Université nationale australienne et Adam Riess du Space Telescope Science Institute, a travaillé sur un effort concurrent.
Les équipes de recherche ont utilisé à la fois des télescopes au sol et le télescope spatial Hubble dans la course pour trouver des supernovas à des milliards d’années-lumière et les utiliser pour mesurer le ralentissement (présumé) de l’expansion de l’univers.
À la fin de 1997, les données sur les supernovas s’accumulaient, et les deux groupes remarquaient que les supernovas distantes étaient plus faibles que prévu, indiquant que l’expansion de l’univers s’accélère en fait, et non ralentit.
En janvier 1998, lors d’une conférence de presse tenue lors de la réunion de Washington, DC de l’American Astronomical Society, l’équipe du Supernova Cosmology Project a annoncé qu’elle avait analysé 40 supernovas et découvert que l’expansion de l’univers continuerait pour toujours, et que les données pourraient être expliquées par une constante cosmologique.
Après cette conférence de presse, un journaliste a appris l’incroyable nouvelle qu’il y avait des signes d’accélération de l’expansion et qu’une force mystérieuse séparait l’univers de plus en plus vite, tandis que la plupart ont simplement signalé qu’il n’y aurait pas de grande crise.
En février, l’équipe High-Z a présenté ses données sur les supernovas lors d’une conférence, montrant également que l’expansion de l’univers s’accélère. Maintenant, il était clair qu’une force anti-gravitée étrange et invisible séparait l’univers. Les deux équipes ont rapidement publié des articles dans des revues à comité de lecture. Ces résultats étaient complètement contraires aux attentes de tout le monde, mais les deux équipes concurrentes trouvant le même résultat choquant, elles devaient être prises au sérieux.
Le magazine Science a qualifié l’univers en accélération de « percée de l’année » en décembre 1998.
Maintenant, plus de dix ans après la découverte, d’autres résultats ont confirmé que l’expansion de l’univers s’accélère, mais l’étrange énergie noire reste un mystère.
Un candidat pour l’énergie noire est une constante cosmologique, tout comme Einstein l’avait prédit (mais avec une valeur différente). La théorie quantique prédit que les fluctuations du vide, des particules virtuelles qui entrent et sortent de l’existence, fournissent de l’énergie à l’espace vide. Malheureusement, la densité d’énergie associée à ces fluctuations du vide est, selon des calculs théoriques, de 120 ordres de grandeur supérieure à la densité d’énergie mesurée par les cosmologistes. D’autres suggestions pour l’énergie noire ont été faites et d’autres études sont en cours, mais pour la plupart, les scientifiques restent dans l’obscurité.
Les découvreurs de l’accélération de l’expansion de l’univers partagent le prix Nobel de physique de cette année
Saul Perlmutter, Adam Riess et Brian Schmidt sont les récipiendaires du prix Nobel de physique de cette année pour leur découverte en 1998 de l’accélération de l’expansion de l’univers.
Perlmutter, qui est affilié au Lawrence Berkeley National Laboratory et à l’Université de Californie à Berkeley, a dirigé l’une des deux équipes indépendantes et rivales qui ont fait la découverte. La moitié du prix lui reviendra. Schmidt de l’Université nationale australienne de Canberra a dirigé l’autre équipe, qui comprend Riess de l’Université Johns Hopkins de Baltimore, Maryland. Riess et Schmidt se partageront l’autre moitié.
Bien que l’accélération de l’expansion cosmique ait surpris les astronomes, sa découverte a fourni un ingrédient essentiel dans ce qui est devenu le modèle cosmologique dominant. Grâce à l’énergie noire – comme la source de l’accélération est vaguement appelée- la dynamique de notre univers en expansion peut être réconciliée avec son contenu de masse modeste.
Bougies standards
L’univers a à peu près le même aspect dans toutes les directions, même les parties qui semblent être séparées par plus que la distance parcourue par la lumière depuis le Big Bang. Pour expliquer cette uniformité déroutante, les astronomes des années 1980 ont invoqué « l’inflation » : une période d’expansion exponentiellement rapide au cours de laquelle une minuscule poche de l’univers post-Big Bang a explosé spontanément à des échelles cosmiques. Les fluctuations quantiques à l’intérieur des poches ont été amplifiées avec l’univers. À partir de ces fluctuations de densité, des galaxies se sont finalement formées.
Les répercussions de l’inflation se sont imprimées dans l’histoire de l’expansion de l’univers. En principe, on peut retracer cette histoire dans le temps cosmique en observant une bougie dite standard, une classe d’objets astronomiques dont la luminosité intrinsèque est uniforme. La luminosité apparente de l’objet donne la distance ; son redshift donne la vitesse.
Pour être utile pour sonder l’expansion, une bougie standard doit être à la fois lumineuse (afin qu’elle puisse être vue à de grandes distances et donc de longs temps de rétrospection) et hautement uniforme (afin que la diffusion intrinsèque ne brouille pas le signal). À la fin des années 1980, une bougie standard appropriée avait été identifiée : les supernovæ de type Ia.
Les supernovae de type Ia sont si lumineuses qu’elles éclipsent leurs galaxies hôtes pendant plusieurs semaines. Ils sont aussi remarquablement uniformes, grâce aux circonstances particulières qui les engendrent. Les supernovae de type Ia se produisent dans les systèmes binaires lorsque l’une des étoiles, une naine blanche, accumule juste assez de matière de son compagnon pour la faire basculer au-dessus de la limite de Chandrasekhar, la masse maximale qu’une naine blanche peut avoir avant de s’effondrer sous sa propre gravité.
La probabilité d’observer une supernova de type Ia dans une galaxie donnée est faible. On s’attend à ce qu’un ou deux seulement surgissent par galaxie par millénaire. Mais si vous pouviez surveiller tout le ciel nocturne, vous verriez une supernova de type Ia toutes les quelques secondes.
La création d’un diagramme distance-décalage vers le rouge à partir de supernovae de type Ia nécessite trois étapes principales : 1) trouver les supernovae en premier lieu ; 2) prouver qu’ils sont bien de type Ia ; et 3) mesurer leurs décalages vers le rouge. La première étape peut être accomplie avec un télescope de 4 mètres équipé d’une caméra grand champ. Les deuxième et troisième étapes nécessitent des observations de suivi avec un télescope de 8 mètres ou plus ou avec le télescope spatial Hubble (HST).
Perlmutter et ses collaborateurs de Berkeley ont construit une caméra grande champ basée sur CCD à utiliser et à tester au télescope de 3,9 mètres de l’Observatoire astronomique australien, l’AAT, qui a été construit en 1976. Obtenir du temps d’observation sur l’un des plus récents et plus puissants 8- mètre télescopes ou sur le HST était, et reste, plus difficile.
Pour convaincre les panels de répartition du temps que les observations de suivi seraient payantes, Perlmutter a conçu une stratégie d’observation ingénieuse. Lui et ses collaborateurs observeraient à Kitt Peak ou d’autres télescopes de 4 m juste après une nouvelle lune, passeraient au peigne fin leurs données pour identifier de nouvelles supernovae, puis demanderaient un temps d’observation de suivi juste avant la prochaine nouvelle lune. Les nuits sans lune garantissaient que Perlmutter trouverait des candidats à l’AAT. Le délai de trois semaines garantissait qu’il pouvait confirmer et caractériser les candidats au télescope de 10 m de l’observatoire Keck sur le Mauna Kea, au HST ou à un autre télescope puissant.
Énergie noire
Au début des années 1990, Perlmutter avait acquis une grande équipe de collaborateurs, appelée Supernova Cosmology Project (SCP). En 1994, Schmidt a formé une équipe rivale, la High- z Supernova Search Team (HZT), qui a utilisé des méthodes similaires à celles développées par SCP. Riess a dirigé l’analyse des données HZT.
Les premiers résultats de HZT (10 supernovæ) et SCP (42 supernovæ) ont été publiés, respectivement, dans l’Astronomical Journal en 1998 et dans l’Astrophysical Journal en 1999. Les deux articles sont parvenus à la même conclusion : les supernovæ distantes reculent à un rythme plus lent que vous vous attendriez si la matière (sombre et non sombre) était la seule source d’action gravitationnelle. Plutôt que de ralentir progressivement, l’expansion se déroulait comme si elle recevait un coup de pouce supplémentaire de l’espace lui-même, par quelque chose qui constitue 75% de la masse-énergie de l’univers.
Des théoriciens, dont Albert Einstein, avaient analysé la dynamique d’un univers en expansion avant même qu’Edwin Hubble ne l’observe en 1929. Les résultats du SCP et du HZT sont cohérents avec une valeur non nulle de la constante cosmologique, Λ. Einstein avait introduit Λ dans sa relativité générale pour préserver ce qu’il supposait être la nature statique de l’univers. Ironiquement, il semble que Λ représente une substance qui sous-tend la nature dynamique de l’univers.
Quelle pourrait être cette substance ? Une possibilité, l’énergie du vide qui imprègne l’espace vide, est exclue, du moins sous la forme responsable de la force de Casimir ou du déplacement de Lamb. C’est trop gros de plusieurs ordres de grandeur. Une autre possibilité est que l’expansion accélérée ne provienne pas d’une substance mais d’une forme modifiée de gravité, qui se comporte différemment à l’échelle cosmique du temps et de l’espace.
La question de savoir si l’énergie noire a conservé sa valeur tout au long de l’histoire de l’univers est un indice important de sa nature. De toute évidence, l’énergie noire ne peut pas avoir été beaucoup plus forte qu’elle ne l’est aujourd’hui, de peur qu’elle n’empêche la matière de fusionner pour former des galaxies. Les dernières observations, qui atteignent un décalage vers le rouge d’environ 2, sont cohérentes avec le fait que l’énergie noire existe plus ou moins sous sa forme actuelle depuis 10 milliards d’années.
Si l’énergie noire reste constante ou si elle augmente en force, alors, à mesure que l’expansion cosmique réduit encore la densité de la matière et avec sa capacité à retarder l’expansion, l’univers s’étendra pour toujours sans possibilité de renaissance.
Malgré l’incertitude entourant la nature de l’énergie noire, sa découverte a renforcé la confiance dans le modèle dit ΛCDM, qui fournit un cadre général pour l’évolution de l’univers depuis le Big Bang. Les caractéristiques de l’univers – telles que la synthèse des éléments légers, la structure du fond cosmique des micro-ondes et la formation d’une structure à grande échelle – s’inscrivent toutes dans le modèle, qui suppose que Λ est l’énergie noire et que la matière noire est froide (non relativiste).
Explication du prix Nobel de physique : pourquoi l’univers en expansion s’accélère-t-il ? 
Ce qui monte doit redescendre. Peu de gens sur Terre contesteraient la loi fondamentale de la gravité. Mais aujourd’hui, le prix Nobel de physique 2011 a été décerné à trois scientifiques qui ont découvert un côté obscur de la force. Les nouveaux lauréats du prix Nobel Saul Perlmutter et Adam Riess des États-Unis et Brian Schmidt d’Australie ont contribué à la découverte que l’univers est non seulement en expansion mais aussi en accélération.
La découverte a conduit à la théorie désormais largement acceptée de l’énergie noire, une force mystérieuse qui repousse la gravité. Les mesures montrent que l’énergie noire représente environ 74 % de la substance de l’univers. Mais plus d’une décennie après la découverte digne d’un prix Nobel, les scientifiques tentent toujours de déterminer exactement ce qu’est l’énergie noire et ainsi de résoudre ce que certains experts appellent « le problème le plus profond » de la physique moderne. (Voir également « Nouvelles cartes de la galaxie pour aider à trouver la preuve de l’énergie noire ?»)
La gravité fonctionne-t-elle différemment ? Jusqu’à l’énergie noire, les physiciens étaient convaincus que la gravité devrait ralentir le taux d’expansion de l’univers. « Quand je jette mes clés en l’air, la gravité de la Terre les fait ralentir et me revenir », a déclaré Mario Livio, un physicien théoricien au Space Telescope Science Institute (STScI) dans le Maryland, au cours de la décennie de Symposium sur l’énergie noire, tenu en 2008. Mais en étudiant la lumière des supernovae lointaines, les astronomes ont constaté que les galaxies hôtes des supernovae s’éloignaient les unes des autres à une vitesse croissante. L’observation que le taux d’expansion de l’univers s’accélère, a déclaré Livio, est comme si « les clés montaient soudainement vers le plafond ». Jusqu’à présent, l’un des plus grands défis pour les chercheurs en énergie noire est de marier les observations à la théorie.
Mesurer la lumière étirée des supernovae 
Pour aider à résoudre l’énigme, la NASA et le département américain de l’Énergie avaient prévu de mener la Joint Dark Energy Mission (JDEM) , le premier programme spécifiquement conçu pour étudier l’énergie noire. Mais dans l’enquête décennale 2010 du Conseil national de recherches, le JDEM n’a pas été recommandé pour le financement. Au lieu de cela, le CNRC a classé le Wide Field Infrared Survey Telescope (WFIRST), dont le lancement est prévu en 2020, comme la meilleure mission pour résoudre les questions essentielles de la recherche sur l’énergie noire et les exoplanètes.
Entre-temps, les missions actuelles de la NASA ont déjà joué un rôle clé dans la mesure de l’énergie noire, a déclaré Michael Salamon, scientifique du programme Physics of the Cosmos de la NASA. « D’une part, le télescope spatial Hubble a pesé sur l’énergie noire grâce aux mesures des supernovae », a déclaré Salamon. Les chercheurs ont d’abord observé l’expansion accélérée en étudiant les supernovae de type Ia, la mort explosive des étoiles naines blanches.
Les astronomes savent que chaque explosion de type Ia a à peu près la même luminosité. Lorsque la lumière des explosions les plus lointaines se dirige vers la Terre, elle est étirée par l’expansion de l’univers de sorte qu’elle apparaît en rouge, un phénomène connu sous le nom de décalage vers le rouge. Plus le décalage vers le rouge est élevé, plus la lumière a voyagé longtemps et plus la supernova s’est produite dans le temps. L’examen d’autant de supernovae que possible peut aider les chercheurs à mesurer la vitesse à laquelle les galaxies s’éloignent les unes des autres.
Les études sur les supernovae ont permis aux scientifiques de voir que l’énergie noire a un impact sur les galaxies depuis neuf milliards d’années. D’autres groupes recherchent des indices encore plus anciens dans le fond cosmique des micro-ondes, le rayonnement résiduel du Big bang, qui se serait produit il y a environ 13,7 milliards d’années.En 2003, la sonde Wilkinson Microwave Anisotropy Probe de la NASA a produit la première carte complète du ciel de premières micro-ondes avec des détails sans précédent. En regardant essentiellement dans le temps, WMAP a révélé de minuscules ondulations de densité qui étaient les germes des galaxies d’aujourd’hui, a déclaré Licia Verde, astrophysicienne à l’Institut des sciences spatiales de Bellaterra, en Espagne, lors du symposium de 2008. « C’est une symphonie cosmique. Vous voyez vraiment le son, [et] le son peut vous aider à comprendre comment l’instrument a été fabriqué », a déclaré Verde.
Le mystère de l’énergie noire persiste 
En fin de compte, il faudra des données provenant d’une combinaison de méthodes pour aider à percer le mystère, ont déclaré les experts. « Le nom du jeu est de prendre plus de mesures sur l’histoire de l’expansion de l’univers, de rendre chacune d’elles plus précise et de resserrer le modèle pour comprendre le fonctionnement de l’énergie noire », a déclaré Riess de STScI. Un objectif clé des expériences est de mesurer le rapport entre la densité d’énergie et la pression dans l’univers, désigné par la lettre w.
Cette valeur indique aux physiciens « le type de gravité d’un matériau – s’il est répulsif ou attractif – et sa force », a déclaré Riess. « Si [l’énergie noire] est l’énergie du vide, alors w sera toujours et précisément de -1 », une découverte qui correspondrait aux prédictions quantiques avec la relativité générale. Sinon, il serait peut-être temps de réécrire les règles. Lawrence Krauss, physicien théoricien à l’Arizona State University, a noté lors du symposium STScI que la plupart des observations montrent actuellement que la valeur de w est assez proche de -1. Pour les théoriciens, a-t-il plaisanté, « mesurer w… ne nous apprendra donc rien que nous ne sachions déjà ». Mais « les nouvelles fenêtres nous montrent de nouvelles surprises. Vous devez faire ce que vous pouvez faire, car vous ne savez pas d’où viendra la réponse. » 
Accélération des galaxies
En 1998, deux équipes de collaborations internationales de scientifiques ont annoncé la découverte que les galaxies accélèrent, se séparent à des vitesses toujours plus rapides, en observant des étoiles lointaines et anciennes qui explosent. Cette observation – nommée « Percée de l’année 1998 » par le magazine Science – implique l’existence d’une propriété mystérieuse et auto-répulsive de l’espace proposée pour la première fois par Albert Einstein, qu’il a appelé la constante cosmologique. Des chercheurs en Angleterre, en France, en Allemagne et en Suède font partie du Supernova Cosmology Project basé au Berkeley National Laboratory (dirigé par Saul Perlmutter) et de l’équipe de recherche High-z Supernova basée en Australie (dirigée par Brian Schmidt).
https://www.aps.org/publications/apsnews/200901/physicshistory.cfm
https://physicstoday.scitation.org/do/10.1063/pt.4.0609/full/