Le Seul Gros Problème Avec Toutes Les Alternatives À La Matière Noire Et À L’Énergie Noire

Peu importe combien nous pourrions essayer de le cacher, il y a un énorme problème qui nous regarde tous en face quand il s’agit de l’Univers. Si nous comprenions seulement trois choses:

1. les lois qui régissent l’Univers,
2. les composants qui composent l’Univers,
3. et les conditions avec lesquelles l’Univers a commencé,

nous serions en mesure de faire la chose la plus remarquable de toutes. Nous pourrions écrire un système d’équations qui, avec un ordinateur suffisamment puissant à notre disposition, décrirait comment l’Univers a évolué au fil du temps pour se transformer de ces conditions initiales en l’Univers que nous voyons aujourd’hui.

Chaque événement qui s’est produit dans notre histoire cosmique — jusqu’aux limites du chaos classique et de l’indéterminisme quantique — pourrait être connu et décrit en détail, des interactions individuelles entre particules quantiques aux plus grandes échelles cosmiques de toutes. Le problème auquel nous sommes confrontés, lorsque nous essayons de faire exactement cela, est que malgré tout ce que nous savons sur l’Univers, ce que nous prédisons et ce que nous observons ne correspondent pas tout à fait à moins d’ajouter au moins deux ingrédients mystérieux: un certain type de matière noire et un certain type d’énergie noire. C’est un casse-tête remarquable à résoudre, et quelque chose avec lequel chaque astrophysicien doit compter. Alors que beaucoup aiment présenter des alternatives, elles sont toutes encore pires que la solution insatisfaisante de la matière noire et de l’énergie. Voici la science du pourquoi.

Il y a toute une série de mesures que nous pouvons faire qui ont contribué à révéler la nature de l’Univers. Nous avons mesuré les orbites des planètes et la déviation de la lumière due à la présence de masse, ce qui a montré que la Relativité générale d’Einstein et non les lois de la gravitation universelle de Newton décrivent le mieux notre réalité. Nous avons découvert le comportement des particules subatomiques, des antiparticules et des photons, révélant les forces quantiques et les champs qui régissent notre Univers. Si nous voulons simuler l’évolution de l’Univers à travers le temps, nous devons prendre les lois connues et manifestement correctes sur les échelles que nous les avons testées et les appliquer au cosmos dans son ensemble.

Nous avons également pu mesurer toute une série de propriétés sur tous les objets que nous pouvons observer dans tout l’Univers. Nous avons appris comment les étoiles brillent et émettent de la lumière, et pouvons en dire beaucoup sur une étoile — à quel point elle est massive, chaude, lumineuse, vieille, riche en éléments lourds, etc. – juste en regardant sa lumière de la bonne manière. De plus, de nombreuses autres formes de matière, telles que des planètes, des cadavres stellaires, des étoiles défaillantes, du gaz, de la poussière, du plasma et même des trous noirs ont toutes été identifiées.

Nous sommes en bonne voie d’effectuer une sorte de « recensement cosmique”, où nous pouvons additionner toute la matière et l’énergie de l’Univers et ce qui le compose. En plus de la matière, nous avons identifié de l’antimatière en petites quantités. Il n’y a pas d’étoiles ou de galaxies là-bas, dans notre Univers visible, faites d’antimatière au lieu de matière normale, mais il y a des jets d’antimatière qui s’éloignent des moteurs naturels à haute énergie comme les trous noirs et les étoiles à neutrons. Il y a aussi des neutrinos accélérant dans l’Univers, de masse minuscule mais en nombre énorme, générés lors du Big Bang chaud et également à partir de processus nucléaires dans les étoiles et les cataclysmes stellaires.

Le problème, bien sûr, est que lorsque nous prenons tous les ingrédients que nous avons directement mesurés, appliquons les équations qui régissent l’Univers au cosmos dans son ensemble et essayons de tout assembler, cela ne s’additionne pas. Les lois que nous connaissons et les ingrédients que nous avons directement découverts, lorsqu’ils sont combinés, ne peuvent pas expliquer l’Univers tel que nous le voyons. En particulier, il y a quelques observations qui semblent s’exclure mutuellement si nous voulons examiner l’hypothèse nulle: que ce que nous voyons et ce que nous savons est tout ce qu’il y a.

Vous avez déjà entendu parler de la matière noire, et la raison pour laquelle vous avez probablement entendu que nous en avons besoin est que « il n’y a pas assez de matière normale pour tenir compte de tous les effets de la gravité que nous voyons. »La question la plus courante que les astrophysiciens se posent à ce sujet est: « eh bien, et s’il y a juste plus de matière normale que les types de matière que nous détectons bien? Et si la « matière noire » est juste une matière plus normale qui se trouve être sombre? »

Le problème avec cette idée est que nous savons — d’après les observations que nous avons déjà — combien de matière normale existe au total dans l’Univers visible. L’Univers était plus chaud et plus dense dans le passé, et quand les choses étaient assez chaudes et denses, seuls les protons et les neutrons libres pouvaient exister. S’ils tentaient de se lier ensemble en une combinaison de noyaux plus lourds, l’Univers était si énergique qu’ils seraient immédiatement détruits. Les éléments les plus légers qui existent :

• hydrogène (1 proton),
• deutérium (1 proton et 1 neutron),
• hélium-3 (2 protons et 1 neutron),
• hélium-4 (2 protons et 2 neutrons),
• et lithium-7 (3 protons et 4 neutrons)

ont tous été créés au cours des 3-4 premières minutes de l’Univers, ne se formant qu’après que l’Univers se refroidit suffisamment pour qu’ils ne soient pas détruits instantanément.

Ce qui est remarquable, c’est que, parce que les lois de la physique qui régissent les particules (et la fusion nucléaire) sont si bien comprises, nous pouvons calculer exactement – en supposant que l’Univers était autrefois plus chaud, plus dense, élargi et refroidi à partir de cet état — quels devraient être les différents rapports de ces différents éléments lumineux. Nous avons même étudié directement les réactions en laboratoire, et les choses se comportent précisément comme le prédit notre théorie. Le seul facteur que nous varions est le rapport photon/baryons, qui nous indique combien de photons cosmiques (particules de lumière) il y a pour chaque proton ou neutron (les baryons) dans notre Univers.

Nous avons maintenant tout mesuré. Des satellites comme COBE, WMAP et Planck ont mesuré le nombre de photons présents dans l’Univers : 411 par centimètre cube d’espace. Des nuages de gaz intermédiaires qui apparaissent entre nous et une source de lumière lointaine, comme une galaxie lumineuse ou un quasar, absorberont une fraction de la lumière lors de son voyage dans l’Univers, nous enseignant directement l’abondance de ces éléments et isotopes. Lorsque nous additionnons tout cela, seulement ~ 5% de l’énergie totale dans l’Univers peut être de la matière normale: ni plus ni moins.

Il y a toutes sortes d’observations, en plus de celles mentionnées ici, dont nous devons tenir compte. Une loi universelle de la nature n’est pas bonne si elle ne fonctionne que dans certaines conditions choisies; vous devez être capable d’expliquer une grande variété de phénomènes cosmiques si vous voulez que votre cosmologie proposée soit prise au sérieux. Vous devez expliquer:

• le tissu cosmique de la structure que nous voyons dans notre Univers et comment il s’est formé,
• les tailles, les masses et la stabilité des galaxies individuelles,
• les vitesses des galaxies qui se précipitent à l’intérieur des amas de galaxies,
• les fluctuations de température imprimées dans le rayonnement de fond des micro-ondes cosmiques: la lueur restante du Big Bang,
• la lentille gravitationnelle observée autour des amas de galaxies, à la fois isolantes et en cours de collision,
• et comment le taux d’expansion de l’Univers change au fil du temps de la manière exacte dont nous l’avons observé pour changer.

Il y a beaucoup d’autres observations que nous pouvons intégrer dans cette sélection, mais celles-ci ont été choisies pour une raison précise: dans un Univers fait uniquement de matière normale, de rayonnement et de neutrinos dans leurs quantités observées, nous ne pouvons expliquer aucune de ces observations. Pour expliquer l’Univers que nous voyons, quelque chose de plus est nécessaire.

En principe, vous pouvez imaginer qu’un seul nouvel ajustement pourrait expliquer tout . Que peut-être, si nous étions assez intelligents, nous pourrions simplement ajouter un nouvel ingrédient ou apporter une modification à nos règles qui expliquerait toutes ces observations ensemble. C’était d’ailleurs l’idée originale de la matière noire, telle qu’elle a été proposée pour la première fois dans les années 1930 par Fritz Zwicky. Il a été le premier à mesurer la vitesse des galaxies qui se précipitaient à l’intérieur des amas de galaxies, et a découvert qu’il devait y avoir quelque chose comme ~ 100 fois plus de masse que les étoiles pourraient représenter. Il a émis l’hypothèse d’un nouvel ingrédient — la matière noire — qui pourrait expliquer tout cela.

Nous savons que la matière noire, à partir d’observations et d’expériences, ne peut être constituée d’aucune des particules connues qui existent dans le Modèle standard de la physique. Nous avons appris que la matière noire n’aurait pas pu être chaude, ni se déplacer rapidement, même très tôt; elle doit soit être assez massive, soit être née sans beaucoup d’énergie cinétique. Nous avons appris qu’il ne peut pas interagir par la force forte, électromagnétique ou faible d’une manière appréciable. Et nous avons appris que, si nous ajoutons cet ingrédient de matière noire froide à l’Univers, presque toutes les observations sont conformes.

Avec la matière noire seule, nous pouvons expliquer bon nombre des observations que nous ne pouvons rendre compte sans elle. Nous obtenons une toile cosmique; nous obtenons des amas d’étoiles qui fusionnent en petites galaxies qui deviennent de grandes galaxies et éventuellement des amas de galaxies; nous obtenons des galaxies en mouvement rapide dans ces amas; nous obtenons une séparation entre le gaz chaud et les effets de la gravité lorsque des amas de galaxies entrent en collision; nous obtenons des galaxies qui tournent aussi rapidement à l’extérieur qu’à l’intérieur; nous obtenons des lentilles gravitationnelles importantes, compatibles avec les observations; nous obtenons des fluctuations de température qui concordent avec le fond micro-onde cosmique et qui expliquent la probabilité de trouver une galaxie à une distance particulière de toute autre galaxie.

Mais nous n’obtenons pas tout. La matière noire est la seule ”chose » supplémentaire que nous pouvons ajouter — et elle s’avère être un ingrédient plutôt qu’une modification — pour résoudre le plus grand nombre de ces problèmes à la fois, mais cela ne nous donne pas tout. Cela ne résout pas le (plus gros) problème du taux d’expansion, et cela n’explique pas le (plus petit) puzzle de pourquoi, malgré le dépassement de la matière normale par un rapport de 5 pour 1, l’Univers est spatialement plat. D’une manière ou d’une autre, les 2/3 de l’énergie totale de l’Univers ne sont pas pris en compte.

L’énergie sombre, bien sûr, est le deuxième ingrédient supplémentaire que nous pouvons ajouter pour expliquer le reste des observations. Il fonctionne comme une forme d’énergie inhérente à l’espace lui-même, ne devenant important que lorsque l’Univers s’est élargi pour devenir suffisamment dilué et diffus. Il constitue la majorité de l’énergie de l’Univers aujourd’hui, après avoir été sans importance pendant les premiers ~ 7+ milliards d’années. Et cela fait accélérer les galaxies lointaines, plutôt que de décélérer, lorsqu’elles s’éloignent de nous dans l’Univers en expansion.

Il n’y a pas de modification unique qui explique toutes ces observations ensemble. En fait, toute autre modification que vous pouvez apporter — soit en modifiant les lois, soit en ajoutant un nouvel ingrédient — résoudra moins de ces problèmes que ne le fera la matière noire ou l’énergie noire. La plupart des idées concurrentes, telles que:

• modifier les lois de la gravité,
• faire de l’énergie sombre un champ ou une entité dynamique qui évolue avec le temps,
• ou inventer une sorte de matière noire en décomposition ou d’énergie sombre précoce,

ont l’un (ou les deux) de deux défauts fatals. Soit ils nécessitent plus que les deux nouveaux paramètres ajoutés par la matière noire et l’énergie noire, soit ils ne parviennent pas à résoudre tous les problèmes que l’ajout de matière noire et d’énergie noire résout.

En science, la plupart des gens utilisent le rasoir d’Occam – la notion selon laquelle étant donné le choix entre les explications, la plus simple est généralement la meilleure – à tort. Il n’est pas plus simple de modifier la gravité que d’ajouter de la matière noire et de l’énergie noire, pas si cette modification nécessite deux paramètres ajoutés ou plus. Il n’est pas plus simple d’introduire un type d’énergie sombre qui est autre chose qu’une constante cosmologique; cette dernière est la classe d’énergie sombre la plus « vanille” qui soit, et cela fonctionne pour tout. Au lieu de cela, vous devrez faire quelque chose comme concocter une explication qui n’introduit qu’une seule nouvelle entité, remplaçant à la fois la matière noire et l’énergie noire.

Aussi déconcertants soient-ils, la matière noire et l’énergie noire sont l’explication la plus simple. Une idée de fluide sombre elle-même nécessite plusieurs paramètres libres. Le nouveau MOND relativiste introduit plus tôt cette année ou l’ancienne gravité tensorielle-vectorielle-scalaire de Bekenstein ajoute non seulement au moins autant de paramètres que la matière noire et l’énergie noire, mais ils ne peuvent toujours pas expliquer les amas de galaxies. Le problème n’est pas que la matière noire et l’énergie noire doivent simplement avoir raison. C’est que toutes les autres idées sont objectivement pires. Quoi qu’il se passe vraiment dans notre Univers, nous nous devons de poursuivre l’enquête. C’est la seule façon de savoir comment la nature fonctionne vraiment, simple ou non.