Georges Lemaître, dans Albert Einstein : Philosopher-Scientist, 1949.

Les fluctuations de température du fond diffus cosmologique (ici une image de ces fluctuations obtenue par la sonde WMAP en 2003) et l’étude de supernovae lointaines suggèrent aux cosmologistes que l’expansion de l’Univers est accélérée. Ces observations ont relancé le débat sur la nature de la constante cosmologique introduite par Einstein dans les équations de la relativité générale.

En 1917, Albert Einstein travaille à la construction du premier modèle cosmologique dans le cadre de la relativité générale. Comme la plupart de ses contemporains, il est persuadé que l’Univers est statique. Afin de construire une solution représentant un Univers immuable et éternel, le physicien doit introduire dans les équations de la jeune théorie un terme supplémentaire constant, le seul permis, nommé constante cosmologique. Dans la décennie suivante, les observations cosmologiques prouvent que l’Univers est en expansion. La constante perd alors sa raison d’être originelle et laisse la place à des modèles d’univers dynamiques, tels que les prévoit naturellement la relativité générale.

Pour autant, l’intrigant paramètre refait surface périodiquement quand il s’agit d’ajuster la théorie aux observations cosmologiques. Récemment, il a fait un retour en force, quand les astrophysiciens ont constaté que l’expansion de notre Univers serait accélérée. En effet, la constante cosmologique agit comme une matière dont le champ de gravitation serait répulsif et qui pourrait par conséquent rendre compte de cette accélération.

Nous verrons que le débat a rebondi quand les physiciens se sont aperçus que le vide quantique se comporte comme une constante cosmologique, mais que la densité d’énergie du vide estimée par la mécanique quantique et celle associée à la constante cosmologique diffèrent de

120 ordres de grandeur. Depuis, ce constat motive les questions sur la valeur de la densité du vide, sur la nature de la constante cosmologique et sur les causes de l’accélération de l’expansion de l’Univers. Les développements de la cosmologie et de la physique des particules ont ainsi fait de ce paramètre à la signification ambiguë des nœuds de la physique théorique actuelle.

De statique, l’Univers devient dynamique

Aux yeux du père de la théorie de la relativité générale, l’Univers doit être statique et éternel. Quant à son volume, il doit être fini, de façon à ne contenir qu’une quantité finie de matière. Einstein s’aperçoit bien vite que ces deux conditions sont incompatibles avec les équations du champ de gravitation dictées par la relativité générale. Pour ne pas heurter ses convictions philosophiques, le physicien n’a qu’une solution : introduire une nouvelle constante, la constante cosmologique, dans ses équations. Les équations de la relativité générale relient la géométrie de l’espace-temps, c’est-à-dire la gravitation, à son contenu matériel. On peut donc arbitrairement faire apparaître la constante d’un côté ou de l’autre des équations, l’interprétant soit comme une propriété de l’espace-temps, soit comme une « matière » supplémentaire d’un genre particulier – parce que présentant une pression négative (dans un récipient, une telle matière attirerait les parois plutôt que de les repousser) et opposée, en valeur, à sa densité d’énergie. Ainsi, dès son introduction se pose le problème de son interprétation physique.

Quelques années plus tard, deux physiciens, Alexandre Friedmann et Georges Lemaître, s’intéressent à leur tour aux solutions cosmologiques de la relativité générale. Indépendamment, ils arrivent à la même conclusion, respectivement en 1922 et 1927 : l’Univers ne peut pas être statique et, par conséquent, l’espace doit être en expansion. Dans son article de 1927, Lemaître donne même la première conséquence de cette expansion : la fuite des nébuleuses extragalactiques, telle qu’Edwin Hubble l’observe dès 1924. Einstein n’admettra la réalité de l’expansion comme conséquence de sa théorie qu’au début des années 1930, reniant du même coup sa constante cosmologique.

Délaissée par son créateur, la constante cosmologique séduisit néanmoins d’autres physiciens, car elle permettait de résoudre le problème de l’âge de l’Univers. En effet, les premiers modèles cosmologiques dépourvus de constante cosmologique prédisaient un univers vieux d’environ deux milliards d’années, soit plus jeune que la Terre, dont l’âge était estimé par des mesures géochimiques à 4,5 milliards d’années. Dans son étude systématique des modèles cosmologiques, Lemaître avait d’ailleurs remarqué qu’une constante cosmologique pouvait momentanément geler l’expansion, permettant ainsi à l’Univers d’atteindre un âge cohérent avec les observations.

Dans les décennies suivantes, le débat sur la constante cosmologique ne cessera d’être alimenté. De fait, le problème des cosmologistes est de taille : ils doivent relier la loi d’expansion de l’Univers au contenu matériel de celui-ci et à la valeur de la constante de Hubble, qui mesure le rapport entre l’éloignement des galaxies et leur vitesse de fuite. Ils peuvent alors en déduire l’âge de l’Univers, qui doit être supérieur à celui des plus vieux objets observés. Or la valeur mesurée de la constante de Hubble évolue au gré des observations et autres inventaires des objets célestes, faisant ressurgir à plusieurs occasions le problème de l’âge de l’Univers.

Depuis, les cosmologistes se sont lancés dans un inventaire systématique visant à répertorier et à « peser » chacun des constituants de l’Univers. Les nombreuses observations ont permis l’édification de catalogues de galaxies qui comptent près d’une centaine de millions d’objets. De même, le fond diffus cosmologique, le rayonnement électromagnétique fossile émis environ 300 000 ans après le Big Bang, a été cartographié avec une précision croissante, par le satellite cobe et, plus récemment, par le satellite wmap. Enfin, de nouvelles techniques offre la possibilité de cartographier la distribution de la matière non lumineuse.

Les conclusions sont étonnantes. En particulier, l’observation de supernovae lointaines, en 1998, a imposé une conclusion que les autres observations laissaient déjà entrevoir. Deux équipes d’astronomes ont en effet démontré que ces supernovae étaient systématiquement moins lumineuses et plus éloignées que ce que laissait prévoir leur décalage spectral vers le rouge, si l’expansion de l’Univers est ralentie. Une seule explication possible : l’Univers est entré dans une phase d’expansion accélérée dans les derniers milliards d’années. Or, si la gravitation est correctement décrite par la théorie de la relativité générale, aucune forme de matière ordinaire ne peut expliquer cette accélération.

Plus précisément, il apparaît que la composition de l’Univers serait la suivante : 0,005 pour cent de rayonnement (photons), environ 5 pour cent de matière ordinaire (noyaux atomiques), 23 pour cent de matière noire et 72 pour cent d’une matière exotique, aux propriétés radicalement différentes de celles des autres formes de matière, et qui serait responsable de l’accélération récente de l’expansion de l’Univers.

Que savons-nous de la nature de cette dernière ? Le taux d’expansion de l’Univers est déterminé par une combinaison de la densité d’énergie et de la pression de l’ensemble du contenu matériel de l’Univers. Pour caractériser une composante de l’Univers vis-à-vis de son effet sur l’expansion, on définit ce que l’on appelle une équation d’état, notée w, comme le rapport de sa pression et de sa densité d’énergie. Pour la matière ordinaire, la pression est négligeable, on a donc w = 0. Pour le rayonnement, constitué de particules ultrarelativistes, on démontre que w = 1/3. Cependant, pour que l’Univers subisse une expansion accélérée, on montre qu’il doit contenir une composante dont l’équation d’état w est strictement inférieure à –1/3. Or l’équation d’état associée à la constante cosmologique introduite par Einstein, si on l’interprète comme une matière additionnelle, est w = –1. La constante cosmologique est donc immédiatement apparue comme le candidat naturel pour expliquer l’accélération observée de l’Univers. Elle deviendrait ainsi de nouveau incontournable pour comprendre les observations récentes. Mais c’était sans compter sur des rebondissements liés à une connexion entre la constante cosmologique et la nature du vide quantique.