Les recherches sur la matière noire pourraient conduire à de nouveaux principes de conversion et de stockage d’énergie, offrant potentiellement de nouvelles sources d’énergie propres en exploitant l’annihilation des particules de matière noire.
Soixante-dix pour cent du bilan énergétique cosmique se présente actuellement sous forme d’énergie noire.
La gravité répulsive induite par l’énergie noire entraîne l’expansion accélérée de l’Univers. La nature de l’énergie noire est inconnue, mais ses propriétés peuvent être déduites de son impact sur l’histoire de l’expansion cosmique.
Les dernières informations issues de la collaboration DESI (Dark Energy Spectroscopic Instrument) ont récemment été documentées dans une série d’articles proposant une nouvelle analyse de l’énergie noire basée sur des cartes de la distribution spatiale de près de 15 millions de galaxies et de quasars.
Les observations DESI ont été combinées avec des données issues d’études sur le fond diffus cosmologique, les supernovae et la lentille gravitationnelle faible. Le modèle standard de la cosmologie peine à expliquer l’ensemble de ces observations, mais un modèle dans lequel la densité d’énergie noire présentait une pression négative inhabituellement exotique lorsque l’Univers était plusieurs fois plus jeune s’adapte bien à toutes les données actuelles.
La pression négative implicite
L’ampleur de l’énergie noire dans l’Univers primordial dépasse sa densité énergétique.
Une telle substance exotique viole la condition dite d’« énergie nulle », qui affirme que l’énergie ne peut être négative même si elle circule à la vitesse de la lumière. Bien qu’une telle substance ne soit pas interdite, elle conduit souvent à des pathologies théoriques, telles que des instabilités dues à son absence d’état d’énergie minimum et à des états fantômes non physiques.
Compte tenu de ces problèmes, on peut se demander s’il est possible d’attribuer la nature exotique impliquée par DESI du secteur de l’énergie noire au secteur de la matière noire. Dans l’Univers primordial, la matière noire était plus dense et constituait une fraction plus importante du budget cosmique qu’aujourd’hui. Lui attribuer une pression négative pourrait en principe expliquer l’anomalie impliquée par la dernière analyse DESI.
La question de savoir si une fraction significative de la matière noire pourrait être soumise à une pression négative est une question que j’ai abordée la semaine dernière avec mon brillant collègue, Xingang Chen. Ce matin, avant mon jogging au lever du soleil, j’ai réalisé qu’une telle possibilité n’est pas permise par nos connaissances de l’Univers.
Comme je l’ai découvert, la matière noire soumise à une forte pression négative serait extrêmement instable face à la fragmentation gravitationnelle. Elle aurait rapidement produit des objets effondrés à toutes les échelles jusqu’à l’horizon cosmique.
L’origine de cette instabilité de fragmentation est facile à comprendre. Une légère augmentation de la densité de matière noire exotique aurait entraîné une réduction de sa pression à une valeur encore plus négative. Cela implique que sa pression extérieure plus importante aurait repoussé davantage de matière exotique vers l’intérieur, rendant la pression centrale encore plus négative. Ce processus incontrôlable déclenche une instabilité alimentée par la pression négative.
Dans le modèle cosmologique standard, l’agrégation de matière est cependant provoquée par la gravité et freinée par la pression positive – comme décrit en détail dans mon manuel « Les Premières Galaxies de l’Univers ». La croissance standard des objets effondrés suite à des perturbations de densité initiales se produit à une échelle de temps comparable à l’âge de l’Univers.
Cependant, pour la matière noire exotique soumise à une forte pression négative, la fragmentation pourrait être beaucoup plus rapide. La croissance correspondante est exponentielle et se produit sur une échelle de temps de l’ordre du temps de traversée de la lumière de l’échelle de longueur de la région en effondrement. Cette échelle de temps est inférieure à l’âge de l’Univers, du rapport entre l’échelle de l’objet et celle de l’horizon cosmique.
En raison de cette instabilité, la matière noire exotique, soumise à une forte pression négative, se serait rapidement effondrée en objets pouvant atteindre la taille de l’horizon cosmique. Cette hypothèse est en contradiction avec les propriétés observées de l’Univers.
Les plus grands objets effondrés observés se situent à l’échelle d’amas de galaxies dont la taille est dix mille fois inférieure à celle de l’horizon cosmique. Si des objets effondrés plus grands avaient existé, ils auraient imprimé une forte anisotropie à la luminosité du fond diffus cosmologique, indétectable dans l’Univers réel.
La matière noire exotique à forte pression négative est exclue par la structure à grande échelle observée de l’Univers, qui ne présente que de faibles fluctuations de densité à des échelles bien plus grandes que celles des amas de galaxies. Ces fluctuations sont de l’ordre de 1/10000 à l’échelle de l’horizon cosmique.
La fragmentation de la matière noire exotique repose uniquement sur sa forte pression négative et n’est pas influencée par la gravité des autres constituants de la matière cosmique qui sont plus lents à s’effondrer.
En conclusion, les propriétés exotiques déduites par DESI sont plus susceptibles de s’appliquer à l’énergie noire qu’à la matière noire. La véritable nature de la matière noire et de l’énergie noire reste à découvrir.
Avi Loeb
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