Des chercheurs de Cambridge découvrent une nouvelle façon de mesurer l’énergie noire

Des chercheurs de l’Université de Cambridge ont découvert une nouvelle façon de mesurer l’énergie noire – la force mystérieuse qui constitue plus des deux tiers de l’univers et qui est responsable de son expansion accélérée – dans notre propre cour cosmique.

Les chercheurs ont découvert qu’il pourrait être possible de détecter et de mesurer l’énergie sombre en étudiant Andromède, notre voisine galactique qui se trouve sur une trajectoire de collision au ralenti avec le Soleil.

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Depuis sa première identification à la fin des années 1990, les scientifiques ont utilisé des galaxies très lointaines pour étudier l’énergie noire, mais ne l’ont pas encore détectée directement. Cependant, les chercheurs de Cambridge ont découvert qu’en étudiant la manière dont Andromède et la Voie lactée se rapprochent compte tenu de leur masse collective, ils pourraient fixer une limite supérieure à la valeur de la constante cosmologique, qui est le modèle le plus simple d’énergie noire. La limite supérieure qu’ils ont trouvée est cinq fois supérieure à la valeur de la constante cosmologique pouvant être détectée depuis l’univers primitif.

Bien que la technique en soit encore à ses débuts, les chercheurs affirment qu’il pourrait être possible de détecter l’énergie sombre en étudiant notre propre voisinage cosmique. Les résultats sont rapportés dans Le

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Tout ce que nous pouvons voir dans notre monde et dans le ciel – des minuscules insectes aux immenses galaxies – ne représente que cinq pour cent de l’univers observable. Le reste est sombre : les scientifiques estiment qu’environ 27 % de l’univers est constitué de matière noire, qui maintient les objets ensemble, tandis que 68 % sont constitués d’énergie noire, qui sépare les objets.

“L’énergie noire est un nom général pour une famille de modèles que vous pourriez ajouter à la théorie de la gravité d’Einstein”, a déclaré le premier auteur, le Dr David Benisty du Département de mathématiques appliquées et de physique théorique. “La version la plus simple de ceci est connue sous le nom de constante cosmologique : une densité d’énergie constante qui éloigne les galaxies les unes des autres.”

La constante cosmologique a été temporairement ajoutée par Einstein à sa théorie de la relativité générale. Des années 1930 aux années 1990, la constante cosmologique était fixée à zéro, jusqu’à ce qu’on découvre qu’une force inconnue – l’énergie noire – provoquait une accélération de l’expansion de l’univers. Il y a cependant au moins deux gros problèmes avec l’énergie noire : nous ne savons pas exactement de quoi il s’agit et nous ne l’avons pas directement détectée.

Depuis sa première identification, les astronomes ont développé diverses méthodes pour détecter l’énergie sombre, la plupart impliquant l’étude des objets de l’univers primitif et la mesure de la rapidité avec laquelle ils s’éloignent de nous. Il n’est pas facile d’analyser les effets de l’énergie noire d’il y a des milliards d’années : puisqu’il s’agit d’une force faible entre les galaxies, l’énergie noire est facilement vaincue par les forces beaucoup plus fortes à l’intérieur des galaxies.

Cependant, il existe une région de l’univers qui est étonnamment sensible à l’énergie noire : c’est dans notre propre cour cosmique. La galaxie d’Andromède est la plus proche de notre Voie Lactée et les deux galaxies sont sur une trajectoire de collision. À mesure qu’elles se rapprochent, les deux galaxies commenceront à orbiter l’une autour de l’autre – très lentement. Une seule orbite prendra 20 milliards d’années. Cependant, en raison des forces gravitationnelles massives, bien avant qu’une seule orbite ne soit terminée, dans environ cinq milliards d’années, les deux galaxies commenceront à fusionner et à tomber l’une dans l’autre.

“Andromède est la seule galaxie qui ne nous fuit pas, donc en étudiant sa masse et son mouvement, nous pourrons peut-être déterminer la constante cosmologique et l’énergie noire”, a déclaré Benisty, qui est également associé de recherche à Collège des Reines.

À l’aide d’une série de simulations basées sur les meilleures estimations disponibles de la masse des deux galaxies, Benisty et ses co-auteurs – le professeur Anne Davis du DAMTP et le professeur Wyn Evans de l’Institut d’astronomie – ont découvert que l’énergie noire affecte la façon dont Andromède et La Voie Lactée tourne autour l’une de l’autre.

“L’énergie noire affecte chaque paire de galaxies : la gravité veut rassembler les galaxies, tandis que l’énergie noire les sépare”, a déclaré Benisty. « Dans notre modèle, si nous modifions la valeur de la constante cosmologique, nous pouvons voir comment cela modifie l’orbite des deux galaxies. Sur la base de leur masse, nous pouvons fixer une limite supérieure à la constante cosmologique, qui est environ cinq fois supérieure à celle que nous pouvons mesurer à partir du reste de l’univers.

Les chercheurs affirment que même si cette technique pourrait s’avérer extrêmement utile, elle ne permet pas encore de détecter directement l’énergie noire. Les données du télescope James Webb (JWST) fourniront des mesures beaucoup plus précises de la masse et du mouvement d’Andromède, ce qui pourrait contribuer à réduire les limites supérieures de la constante cosmologique.

De plus, en étudiant d’autres paires de galaxies, il pourrait être possible d’affiner davantage la technique et de déterminer comment l’énergie noire affecte notre univers. “L’énergie noire est l’une des plus grandes énigmes de la cosmologie”, a déclaré Benisty. “Il se pourrait que ses effets varient en fonction de la distance et du temps, mais nous espérons que cette technique pourra aider à percer le mystère.”

Référence : « Constraining Dark Energy from the Local Group Dynamics » par David Benisty, Anne-Christine Davis et N. Wyn Evans, 8 août 2023, Les lettres du journal astrophysique.
DOI : 10.3847/2041-8213/ace90b