Chapitre 13 : Le mystère de l’énergie noire

Nuit 150 : Une poussée douce

Le cent cinquantième jour de la mission, la station allait s’élever un peu plus haut au-dessus de la Terre. Cela s’appelle un rehaussement d’orbite, et cela se produit de temps en temps. À environ 400 kilomètres d’altitude, il n’y a presque plus d’air, mais pas tout à fait plus du tout. Une trace très ténue de l’atmosphère monte encore aussi haut. Chaque seconde, la station heurte un très grand nombre de ces particules d’air clairsemées, et ensemble, elles la freinent d’une quantité infime. Au fil des semaines et des mois, la station descend lentement. Alors, de temps à autre, ses moteurs s’allument pour la remonter.

Noor trouvait ce fait discrètement surprenant. Même ici, bien au-dessus des nuages et de la météo, la station n’était pas complètement libérée de l’air de la Terre. Sans ces petites poussées, la station descendrait de plus en plus bas au fil des années, l’air s’épaissirait autour d’elle, et elle finirait par retomber dans l’air dense d’en dessous. Le rehaussement est donc une sorte d’entretien courant, comme vérifier les pneus d’un véhicule ou huiler une porte. Personne au sol ne le voit, mais il permet à tout de continuer à fonctionner.

Le rehaussement avait été planifié par les équipes au sol, et les moteurs étaient commandés depuis le sol et par les ordinateurs de la station. Le travail de l’équipage consistait à se préparer. Noor et Tomás parcoururent les modules et vérifièrent que rien de libre ne flottait à un endroit où le petit changement de vitesse pourrait le pousser. Les outils furent rangés. Les caméras furent fixées. Une expérience qui mesure de minuscules mouvements fut mise en pause. Noor resserra les sangles d’un sac de vêtements qu’elle voulait ranger depuis des jours.

Quand les moteurs s’allumèrent, il n’y eut aucun grondement. Il n’y eut qu’une poussée douce et régulière. Noor tenait une main courante près de la fenêtre, et elle sentit une légère traction à travers elle tandis que la station avançait autour d’elle. Un stylo que quelqu’un avait oublié dériva lentement vers l’arrière du module. Tomás le rattrapa sans regarder, comme il rattrape la plupart des choses. Au bout de plusieurs minutes, les moteurs s’arrêtèrent, et tout flotta comme avant. La station était maintenant un peu plus haut et resterait en orbite plus longtemps.

Quelques minutes plus tard, une voix calme venue du sol confirma que le rehaussement s’était déroulé comme prévu. Tomás inscrivit l’heure dans le journal de bord, et Noor et Ade repassèrent dans les modules pour défaire un à un les préparatifs du matin. L’expérience mise en pause redémarra. Les caméras furent détachées. À l’heure du déjeuner, la station avait exactement le même aspect qu’avant, seulement un peu plus haut au-dessus des nuages.

Ce soir-là, Noor parla du rehaussement à Sami. Il travaille avec des véhicules toutes les nuits, et il comprit aussitôt. « Alors c’est comme le camion dans une montée, écrivit-il. Si tu lâches la pédale, tu ralentis. » Puis il posa une autre question. « Est-ce que l’Univers ralentit, lui aussi ? Si tout s’est envolé après le Big Bang, est-ce qu’il ne devrait pas ralentir à l’heure qu’il est ? »

Noor sourit à l’écran. Pendant la plus grande partie du vingtième siècle, les astronomes se sont posé exactement la même question, et ils attendaient la même réponse. L’histoire de ce soir parle de ce qu’ils ont trouvé à la place. C’est l’une des plus grandes surprises de l’histoire de l’astronomie, et elle reste un mystère.

On attendait un ralentissement

Pensez à une balle lancée droit vers le ciel. Pendant qu’elle monte, la gravité de la Terre la tire, et elle ralentit. Si vous la lancez doucement, elle ralentit, s’arrête et retombe dans votre main. Si vous pouviez la lancer extrêmement fort, elle pourrait échapper complètement à la Terre, mais elle ralentirait quand même tout du long, parce que la gravité ne cesse jamais de tirer.

Pendant de nombreuses années, les astronomes se sont représenté l’Univers en expansion d’une façon semblable. Après le commencement chaud, les galaxies s’éloignent les unes des autres, parce que l’espace s’étire. Mais toute la matière de l’Univers attire toute l’autre matière par la gravité. Il semblait donc naturel de penser que cette attraction freinerait lentement l’expansion. La seule question semblait être la force de ce freinage. L’expansion ralentirait-elle au point de s’arrêter un jour et de faire demi-tour ? Ou ralentirait-elle éternellement sans tout à fait s’arrêter ?

La théorie de la gravitation d’Albert Einstein, qu’il acheva en 1915, permettait plusieurs avenirs différents pour un univers rempli de matière. En 1922, Alexandre Friedmann calcula sur le papier certaines de ces possibilités. Dans un type d’univers, l’expansion ralentit puis s’inverse, et tout retombe ensemble. Dans un autre, l’expansion ralentit mais ne s’arrête jamais. Le type d’univers dans lequel nous vivons dépendrait de la quantité de matière qu’il contient. Pendant des décennies, mesurer cette quantité et le ralentissement de l’expansion fut l’une des tâches centrales de l’astronomie.

Pour répondre à cette question, les astronomes devaient comparer l’expansion actuelle à l’expansion d’il y a longtemps. Souvenez-vous que regarder loin, c’est regarder en arrière dans le temps. Si l’on peut mesurer à quelle vitesse des galaxies très lointaines s’éloignaient au moment où leur lumière les a quittées, et comparer cela aux galaxies proches, on peut voir si l’expansion a changé. C’est un peu comme vérifier la vitesse d’un véhicule sur un vieil enregistrement et la comparer à sa vitesse d’aujourd’hui.

La partie difficile était de mesurer les distances de galaxies extrêmement lointaines. Les étoiles pulsantes qu’étudiait Henrietta Leavitt sont brillantes, mais pas assez pour être vues aux plus grandes distances. Les astronomes avaient besoin d’une lampe beaucoup plus brillante, dont ils connaîtraient l’éclat véritable. Ils la trouvèrent dans un type particulier d’étoile qui explose.

Des étoiles qui explosent comme lampes de mesure

Certaines étoiles qui explosent sont au départ des naines blanches, ces petits restes denses d’étoiles comme le Soleil que nous avons rencontrés lors d’une nuit précédente. Quand une naine blanche a une étoile compagne proche, elle peut lentement lui prendre de la matière. Quand elle devient trop lourde, elle explose d’une manière très brillante et assez régulière. Les explosions de ce genre atteignent presque le même éclat maximal à chaque fois, et les astronomes ont appris à corriger les petites différences qui existent entre elles. Elles sont ainsi devenues utiles comme lampes de mesure visibles à des milliards d’années-lumière.

La méthode est simple à décrire, même si le travail est très difficile. Si vous savez à quel point une lampe brille vraiment, vous pouvez dire à quelle distance elle se trouve d’après sa faiblesse apparente. Un réverbère au bout d’une longue route paraît faible, non parce qu’il éclaire peu, mais parce qu’il est loin. De la même façon, une étoile de ce genre qui explose et qui paraît faible doit être très lointaine.

Dans les années 1990, deux équipes d’astronomes distinctes entreprirent d’utiliser ces explosions pour mesurer le ralentissement de l’expansion. Le travail exigeait de la patience. Ces explosions sont rares dans une galaxie donnée, si bien que les équipes devaient surveiller un grand nombre de galaxies, saisir les explosions pendant qu’elles étaient brillantes, puis les mesurer soigneusement avec de grands télescopes. Beaucoup de gens travaillèrent pendant de longues nuits, comparèrent leurs notes et débattirent de chaque étape.

En 1998, les deux équipes annoncèrent le même résultat. Les explosions lointaines étaient plus faibles que prévu. Cela signifiait qu’elles étaient plus éloignées qu’elles n’auraient dû l’être si l’expansion avait ralenti. La meilleure explication était l’inverse de ce que presque tout le monde attendait. L’expansion de l’Univers ne ralentissait pas. Depuis plusieurs milliards d’années, elle accélère.

Ce qui rendait le résultat si convaincant, c’est qu’il provenait de deux équipes distinctes. Les équipes travaillaient indépendamment, utilisaient leurs propres télescopes et leurs propres méthodes de vérification, et elles rivalisaient, amicalement, pour arriver les premières. Si une seule équipe avait trouvé l’accélération, d’autres scientifiques auraient pu soupçonner une erreur dans son travail. Quand les deux équipes trouvèrent la même réponse surprenante, le résultat devint beaucoup plus difficile à écarter. En science, comme dans beaucoup de lieux de travail, un résultat auquel deux groupes rigoureux parviennent séparément vaut davantage qu’un résultat qu’un seul groupe a vu.

Beaucoup de scientifiques furent d’abord hésitants. Peut-être de la poussière atténuait-elle la lumière ? Peut-être les explosions d’il y a longtemps étaient-elles un peu différentes ? Ces questions furent testées encore et encore au cours des années suivantes. D’autres types de mesures, dont des cartes détaillées de la plus ancienne lumière et de la façon dont les galaxies sont réparties dans l’espace, ont depuis pointé dans la même direction. L’accélération de l’expansion fait aujourd’hui largement partie de la représentation admise.

La représentation complète issue de ce travail comporte deux parties. Pendant les premiers milliards d’années qui suivirent le commencement chaud, l’expansion ralentissait vraiment, exactement comme les astronomes l’avaient prévu, parce que la matière était plus serrée et que sa gravité était forte. Mais à mesure que l’espace s’étirait et que la matière se raréfiait, son freinage s’affaiblit. Il y a plusieurs milliards d’années, une poussée inconnue, que nous allons nommer dans un instant, devint plus forte que le freinage de la matière, et l’expansion commença à accélérer. Les astronomes du vingtième siècle ne se trompaient donc pas sur la gravité. Il leur manquait seulement une seconde partie, inattendue, de l’histoire.

Donner un nom au mystère

Si l’expansion accélère, quelque chose doit en être la cause. Les scientifiques ne savent pas ce qu’est ce quelque chose. Ils lui ont tout de même donné un nom : l’énergie noire. On la dit « noire » parce qu’elle ne brille pas et ne peut pas être vue directement, et on parle d’« énergie » parce qu’elle semble agir sur l’Univers tout entier. Mais ce nom est une étiquette collée sur une boîte vide. Il nous dit que quelque chose est là ; il ne nous dit pas ce que c’est.

Selon les mesures actuelles, le contenu total de l’Univers peut se répartir à peu près ainsi. La matière ordinaire, celle qui compose les étoiles, les planètes, le gaz et les êtres humains, ne représente qu’environ 5 pour cent. La matière noire, que nous avons rencontrée lors d’une nuit précédente, en représente environ 27 pour cent. L’énergie noire, environ 68 pour cent. Autrement dit, tout ce que nous avons jamais vu avec nos télescopes n’est qu’une petite partie de ce que contient l’Univers. Le reste n’est connu que par ses effets.

Il peut être utile de se représenter cela comme un budget familial. Imaginez que vous examiniez vos dépenses d’un mois et que vous constatiez que seulement cinq parts sur cent vont à des choses que vous pouvez nommer : le loyer, la nourriture, les transports. Environ vingt-sept parts vont à quelque chose dont vous sentez l’effet mais que vous ne voyez sur aucun ticket de caisse. Et environ soixante-huit parts vont à quelque chose de plus étrange encore, qui semble faire grossir le budget entier chaque mois. Vous voudriez absolument comprendre ces deux postes cachés. C’est la situation dans laquelle se trouvent aujourd’hui les astronomes.

Une possibilité est que l’énergie noire soit une propriété de l’espace vide lui-même. Si même un espace complètement vide contient une petite quantité d’énergie, alors, à mesure que l’espace s’étire, il y a davantage d’espace vide, et davantage de cette énergie. Cette énergie pousserait l’expansion en avant. Fait intéressant, cette idée fait revenir un terme qu’Albert Einstein avait ajouté à ses équations en 1917, quand il voulait décrire un univers immobile. Il avait ensuite abandonné ce terme lorsque l’expansion avait été découverte. Aujourd’hui, ce même terme revient dans un nouveau rôle, non pour garder l’Univers immobile mais pour décrire son accélération.

Mais ce n’est pas la seule possibilité. Certains scientifiques pensent que l’énergie noire pourrait varier au fil du temps. D’autres se demandent si notre théorie de la gravitation doit être modifiée quand nous regardons les plus grandes distances. Pour l’instant, il n’existe pas de réponse admise. De grands relevés du ciel, nouveaux, mesurent les positions et les distances d’un nombre immense de galaxies, pour voir plus précisément comment l’expansion a évolué au fil du temps. Ces mesures montreront peut-être un jour quelles idées sont sur la bonne voie.

Deux mesures qui ne concordent pas

Il existe une autre question ouverte, liée à l’expansion, sur laquelle travaillent aujourd’hui les astronomes. Elle porte sur la vitesse à laquelle l’Univers s’étend en ce moment même. Il y a différentes façons de la mesurer. L’une consiste à mesurer les distances et les vitesses de galaxies proches, à l’aide d’étoiles pulsantes et d’étoiles qui explosent, comme dans les travaux que nous avons décrits. Une autre consiste à partir de la carte détaillée de la plus ancienne lumière et à calculer, à l’aide de notre meilleure théorie de l’Univers, quelle devrait être la vitesse de l’expansion aujourd’hui.

Les deux méthodes sont rigoureuses, et toutes deux ont été vérifiées de nombreuses fois. Pourtant, elles donnent des réponses légèrement différentes. L’écart n’est pas énorme, mais il est plus grand que les erreurs attendues des mesures. C’est un peu comme deux ouvriers soigneux qui mesurent la même pièce avec deux outils différents et obtiennent des résultats qui diffèrent d’une quantité petite mais tenace. Chaque ouvrier vérifie son propre outil, et chaque outil semble en bon état.

Personne ne sait encore pourquoi les réponses diffèrent. Peut-être une petite erreur, que personne n’a trouvée, se cache-t-elle dans l’une des méthodes. Peut-être manque-t-il quelque chose à notre théorie de l’Univers, par exemple au sujet de l’énergie noire ou de l’Univers primitif. Les scientifiques testent les deux possibilités avec de nouveaux télescopes et de nouvelles méthodes. C’est un exemple honnête de la façon dont fonctionne la science : quand deux bonnes mesures ne concordent pas, les scientifiques ne choisissent pas celle qui leur plaît. Ils continuent de mesurer jusqu’à comprendre.

De nouveaux télescopes aident à résoudre cette question. Le télescope spatial James Webb, qui voit la lumière infrarouge, peut voir à travers la poussière et distinguer des étoiles pulsantes individuelles dans des galaxies plus nettement que les télescopes précédents. Les astronomes l’utilisent, ainsi que d’autres télescopes, pour vérifier pas à pas les mesures des distances proches. Pendant ce temps, d’autres équipes améliorent les calculs fondés sur la plus ancienne lumière. Chaque nouveau résultat est suivi de près, parce qu’une réponse claire, dans un sens ou dans l’autre, nous apprendrait quelque chose d’important.

Pour quelqu’un qui travaille, il y a là quelque chose de familier. Beaucoup d’entre nous ont connu au travail un problème qui ne voulait pas disparaître, un chiffre qui ne tombait pas juste ou une machine qui s’arrêtait parfois sans raison claire. La solution vient souvent lentement, à force de vérifications patientes. L’Univers, lui aussi, se laisse comprendre une vérification patiente après l’autre.

Avant le sommeil

Tard dans la soirée, Noor flotta jusqu’à la fenêtre. La station s’était élevée un peu plus haut ce jour-là, mais de l’intérieur, rien ne paraissait différent. La Terre tournait en dessous, et les étoiles brillaient au-dessus du bord de l’atmosphère. Quelque part au-delà de ces étoiles, des galaxies s’éloignent un peu plus vite chaque année, poussées par quelque chose que personne n’a jamais vu.

Elle écrivit à Sami. « Tu as eu raison de demander. Les astronomes s’attendaient à ce que l’Univers ralentisse, comme ton camion dans une montée quand tu lâches la pédale. Mais quand ils ont mesuré, ils ont trouvé l’inverse. L’expansion accélère. Ils appellent la cause énergie noire, mais personne ne sait ce que c’est. Alors ce soir, ta question est l’une des plus grandes questions de la science. »

Avant de s’endormir, elle pensa à l’étrangeté de travailler sur une station qu’il faut pousser pour qu’elle reste où elle est, à l’intérieur d’un univers qui semble poussé vers l’extérieur par quelque chose que personne ne comprend. La lente descente de la station et l’accélération de l’Univers avaient toutes deux été remarquées de la même façon, par des gens qui avaient regardé attentivement des chiffres et vu que quelque chose ne collait pas.

À trois heures du matin, Sami lut le message dans la cabine de son camion. « Alors l’Univers a le pied sur la pédale, répondit-il, et personne ne sait à qui est le pied. » Noor lut sa réponse à son réveil, et elle trouva que ce n’était pas une mauvaise description du tout.

Il peut être réconfortant de savoir que même les personnes qui étudient l’Univers pendant toute leur vie professionnelle n’ont pas toutes les réponses. Si quelque chose dans votre propre vie reste flou ce soir, vous êtes en très bonne compagnie. Certaines questions trouvent vite leur réponse. D’autres demandent de la patience, un travail soigneux et du temps.

Idées reçues

Beaucoup de gens pensent que l’énergie noire et la matière noire sont la même chose, parce que toutes deux ont le mot « noire » dans leur nom. Elles sont en réalité très différentes. La matière noire rassemble les choses. Sa gravité maintient ensemble les galaxies et les amas de galaxies, et elle les a aidés à se former. L’énergie noire semble faire l’inverse : elle pousse l’expansion de l’Univers à aller plus vite. Toutes deux sont dites « noires » parce que nous ne pouvons pas les voir directement, et toutes deux restent incomprises. Mais ce sont deux mystères distincts.

Beaucoup de gens pensent aussi que l’énergie noire est une sorte d’énergie que l’on pourrait recueillir et utiliser, comme l’énergie d’une batterie ou de la lumière du Soleil. C’est ce que son nom laisse penser. Mais l’énergie noire, quelle qu’elle soit, est répartie de façon extrêmement diluée dans l’espace. Dans le volume d’une pièce, ou même de la Terre entière, il n’y en aurait presque rien. Son effet ne devient important que sur les distances immenses qui séparent les groupes de galaxies. Ce n’est pas une source d’énergie pour des machines, et personne ne sait comment on pourrait l’utiliser, même en principe.

Enfin, certains pensent que les scientifiques savent déjà comment finira l’Univers, par exemple qu’il se déchirera, se figera dans le froid ou retombera sur lui-même. Vous avez peut-être lu de telles idées présentées comme des faits. La vérité est que l’avenir lointain dépend de la nature de l’énergie noire, et que nous ne connaissons pas encore cette nature. Si elle reste telle qu’elle semble être aujourd’hui, l’expansion continuera d’accélérer, et les galaxies lointaines disparaîtront lentement de notre vue. Mais si l’énergie noire change, l’avenir pourrait être différent. Lors de la prochaine nuit, pendant une garde tranquille, nous irons jusqu’aux limites mêmes de ce que nous savons et nous nous demanderons ce qui se trouve au-delà.