mardi 16 mai 2017

Une explication théorique de l'expansion accélérée de l'Univers


Trois chercheurs de l'Université de Vancouver (Canada) viennent de proposer dans un article impressionnant, publié dans Physical Review D, une solution très élégante qui explique pourquoi l'Univers est en expansion accélérée, et qui réconcilie relativité générale et physique quantique tout en éliminant la notion d'"énergie noire" ou constante cosmologique. Une révolution si cette vision est confirmée.




Les jeunes chercheurs Qingdi Wang et Zhen Zhu, associés au physicien vétéran William Unruh, connu pour avoir découvert l'effet qui porte son nom dans les années 1970 (et ancien doctorant du célèbre John Wheeler), ont conduit une étude théorique remarquable couvrant 35 pages de la très sérieuse revue de physique théorique Physical Review D. Ils se sont attaqués frontalement au problème qui est parfois appelé le "problème de la constante cosmologique".
On sait depuis 1998 que l'expansion de l'Univers est accélérée, alors que l'on pensait auparavant que cette expansion devait se ralentir. La solution la plus logique pour expliquer cette accélération était d'introduire un terme constant dans les équations de la Relativité Générale, 𝛬, une constante cosmologique, qui serait associée à une énergie inconnue, une "énergie noire". L'autre solution qui pouvait paraître évidente était d'attribuer l'accélération de l'expansion observée à l'énergie du vide, telle qu'elle est prédite dans la théorie de la mécanique quantique (la théorie quantique des champs). Mais si c'est l'idée d'une constante 𝛬 reflétant une énergie noire mystérieuse qui s'est imposée, c'est parce que lorsque l'on calcule la densité d'énergie du vide dans la théorie quantique des champs, la valeur trouvée est 10120 (un 1 suivi de 120 zéros...) fois trop grande par rapport à celle qui serait nécessaire pour produire l'accélération observée...
Les trois physiciens n'ont pas cherché à modifier la relativité générale ou la physique quantique, mais à les réconcilier par une toute nouvelle approche. Ils montrent que si on considère que l'espace-temps subit des fluctuations continues à très petite échelle, l'échelle de Planck (10-35 m), le calcul de la densité d'énergie du vide globale ne mène pas à une valeur démesurément grande.
Dans leur calcul, l'espace-temps et sa densité d'énergie du vide fluctuent constamment en tout point de l'espace. Le facteur d'échelle a(t) qui apparaît dans les équations de la relativité générale ne dépend alors plus seulement du temps t mais aussi de la variable d'espace x. Et ça change tout. Chaque point de l'espace voit, à très petite échelle, une oscillation entre expansion et contraction de très grande amplitude. Mais les deux mouvements se compensent presque complètement. Et c'est la différence, faible, qui fait "gagner" le mouvement d'expansion sur celui de contraction par un processus de "résonance paramétrique faible" (weak parametric resonance), [que je ne détaillerai pas, faute de bagages théoriques]. 
Bien que très faible au niveau de l'échelle de Planck, le phénomène d'expansion microscopique s'accumule aux échelles toujours plus grandes jusqu'à devenir observable aux échelles cosmologiques. Les équations de Qingdi Wang, Zhen Zhu et William Unruh prédisent bien un Univers en expansion accéléré avec un taux relativement faible, à partir des fluctuations énormes de l'énergie du vide!
William Unruh compare le processus avec les vagues d'un océan, dont le mouvement n'est pas affecté directement par le mouvement pourtant intense des atomes individuels formant les molécules d'eau.

L'article présentant ces travaux a été publié en preprint sur arXiv en mars et vient d'être publié il y a quelques jours dans Physical Review D. Il va falloir encore quelques semaines pour que la communauté des physiciens et cosmologistes digère entièrement ce gros papier de plus de 30 pages et pour que l'on puisse avoir des retours allant ou non vers une confirmation théorique. Si ce résultat s'avère correct et peut être testé expérimentalement, nul doute qu'il s'agisse d'un grand pas vers l'unification et en tout cas vers l'élégance et la compréhension de l'Univers. Un nouveau pont jeté entre les deux théories majeures de la physique, qui renforcerait leur coexistence au lieu de les affronter.

Référence

How the huge energy of quantum vacuum gravitates to drive the slow accelerating expansion of the Universe
Qingdi Wang, Zhen Zhu, and William G. Unruh
Phys. Rev. D 95, 103504 (11 May 2017)
https://doi.org/10.1103/PhysRevD.95.103504
https://arxiv.org/abs/1703.00543

Illustration 

1) L'amas de galaxies Abell 1689 imagé par Hubble (NASA / ESA / Hubble Heritage Team / STScI / AURA / J. Blakeslee, Dominion Astrophysical Observatory / H. Ford, JHU.)

2) Nouvelle expression du taux d'expansion de Hubble obtenu par Wang, Zhu et Unruh

9 commentaires :

Yannick Copin a dit…

Très intéressant, il va juste falloir que je revois toutes mes présentations... Voici le lien arXiv (préférable): https://arxiv.org/abs/1703.00543

Pascal a dit…

C'est presque trop beau pour être vrai ! La caution de Unruh incite à prendre tout cela au sérieux, mais on se demande alors pourquoi ce travail n'a pas été fait il y a 50 ans ? Cela aurait permis de prédire l'accélération de l'expansion bien avant son observation en 1998, et une prédiction a toujours plus de valeur qu'une post-diction.

Dr Eric SIMON a dit…

Il se trouve qu'avant 1998, personne s’intéressait vraiment aux effets de l'énergie du vide sur la structure de l'espace-temps... D'ailleurs, il est fort probable que la prédiction de l'accélération de l'expansion n'aurait pas été prise très au sérieux il y a 50 ans. Très souvent, la théorie suit l'expérience...

Jim a dit…

Mine de rien si cette théorie est vraie c'est une découverte extraordinaire

Ray Volt a dit…

Pour moi c'est un potage incompréhensible faute de ne pas avoir assez de connaissances pour comprendre ces alignement de mots mit bout à bout. Y'a t-il une vidéo en français expliquant cette découverte, avec des mots simples ou explications simples ? Une sorte de vidéo documentaire par exemple ? Si vous connaissez une vidéo merçi de de donner un lien.

Dr Eric SIMON a dit…

Une vidéo, non, mais une émission de radio oui. Je vous invite à écouter l'émission "La Méthode Scientifique" de France Culture, datant du 02/06/17, à partir de la minute 34, ici : https://www.franceculture.fr/emissions/la-methode-scientifique/donald-trump-et-les-accords-de-paris-voyage-au-centre-de-latome-la

sixenligne atmo a dit…

Bonjour,

A-t-on un retour de la communauté sientifique sur ce papier? Et A-t-on une idée de comment tester expérimentalement ce résultat?

Yannick Copin a dit…

Une discussion de ce papier (en anglais) sur le blog Backreaction: http://backreaction.blogspot.fr/2017/05/does-parametric-resonance-solve.html

Dr Eric SIMON a dit…

Merci Yannick ! En effet, une analyse très critique (négativement). Je ne peux malheureusement pas juger des arguments avancés. Ce qui est certain c'est que le papier n'a eu encore aucune citation depuis sa parution au mois de mai dans Phys. Rev. D.
Quant à un test expérimental, comme tout se passe à l'échelle de Planck...