Au cours des années 1920, la conception de l’Univers s’est progressivement transformée. Le chanoine belge Georges Lemaître a formulé un modèle où le cosmos émanerait d’un « atome primitif » en expansion permanente. Parallèlement, le physicien russe Alexander Friedmann a démontré que les équations de la relativité générale d’Einstein autorisaient des solutions décrivant un univers non statique. En 1929, l’astronome américain Edwin Hubble a fourni la preuve observationnelle décisive : les galaxies s’éloignent toutes de nous, confirmant ainsi l’expansion cosmique, selon une relation devenue célèbre : v = H d.
Une fois établie l’expansion de l’Univers, la question s’est imposée : comment cette expansion a-t-elle varié au fil du temps ? La théorie enseignait que la gravité, force universellement attractive, devrait ralentir cette expansion. La matière présente dans le cosmos devait logiquement freiner son éloignement, comparable à la façon dont le champ gravitationnel terrestre retient les objets. Pour vérifier cette hypothèse, les astrophysiciens ont exploité un phénomène stellaire spectaculaire : les supernovæ.
Lorsqu’une naine blanche, compagne stellaire dense, accumule progressivement la matière d’une étoile voisine, elle finit par atteindre une masse critique et explose en supernova. Ces événements, survenant dans des conditions similaires, produisent une luminosité précisément déterminable, transformant ces explosions en « chandelles standard » cosmiques. En mesurant leur éclat apparent et leur spectre lumineux décalé vers le rouge, les astronomes pouvaient calculer à la fois leur distance et leur vitesse d’éloignement.
En 1998, deux équipes de recherche ont mené une enquête monumentale utilisant les supernovæ pour retracer l’histoire de l’expansion cosmique. Leurs découvertes ont stupéfié la communauté scientifique : l’Univers n’était pas en décélération, mais en accélération. Ce phénomène demeurait inexplicable avec les composantes connues de l’Univers. Les chercheurs ont donc proposé une nouvelle entité : l’« énergie noire », agissant comme une gravité répulsive contraire à l’attraction classique.
Depuis sa découverte, l’énergie noire reste une énigme profonde. Les supernovæ s’avéraient insuffisantes pour éclairer ses manifestations dans les périodes anciennes de l’Univers. Une approche révolutionnaire a émergé : mesurer une signature spécifique laissée dans la distribution galactique actuelle, trace fossile des fluctuations de densité du plasma primordial. Les cosmologistes la nomment oscillation baryonique acoustique (BAO), empreinte figée dans la trame cosmique quand l’Univers devint transparent après 380 000 ans.
Cette empreinte BAO, mesurant initialement 450 000 années-lumière, s’est dilatée à 450 millions d’années-lumière aujourd’hui sous l’effet de l’expansion cosmique. Comme les galaxies se forment préférentiellement dans les régions denses, elles reflètent cette distance caractéristique. Un excès observable de galaxies séparées de 450 millions d’années-lumière révèle cette marque ancienne. Pour déceler ce motif, il fallait cependant dresser une carte tridimensionnelle complète de l’Univers.
Le Dark Energy Spectroscopic Instrument (Desi) représente le projet spectroscopique le plus ambitieux actuellement en cours. Son objectif : construire une immense cartographie 3D positionnant avec une précision inférieure à un pour cent plus de soixante millions de galaxies et quasars. Le relevé combine plusieurs catégories d’objets pour couvrir différentes distances cosmiques, des galaxies proches aux quasars lointains.
Au-delà des distances où les quasars deviennent trop rares, Desi exploite l’hydrogène du milieu intergalactique. Ce gaz absorbe la lumière des quasars arrière-plan selon une longueur d’onde caractéristique de l’hydrogène. Soumis à l’expansion cosmique, ces absorptions subissent des décalages vers le rouge variables. La succession d’absorptions, appelée « forêt Lyman-alpha », permet d’étendre la cartographie jusqu’à 12 milliards d’années-lumière, couvrant ainsi presque toute l’histoire de l’Univers.
L’instrument Desi opère depuis l’observatoire de Kitt Peak en Arizona avec le télescope Mayall. Son élément clé : un plan focal équipé de 5 000 positionneurs robotisés ultra-précis, chacun guidant la lumière galactique vers les spectrographes. Capables de se positionner en quelques micromètres en moins de deux minutes, ces robots constituent la véritable clé technologique du succès de l’expérience.
Le projet, lancé en mai 2021, a affronté des obstacles majeurs qui auraient pu le paralyser : la pandémie Covid-19, un incendie catastrophique en 2022, une cyberattaque l’année suivante, puis des pannes mécaniques. L’engagement inébranlable des équipes a permis de surmonter chaque épreuve, sauvegardant les télescopes et poursuivant l’exploration du cosmos.
En avril 2024, Desi a révélé ses premiers résultats basés sur six millions de galaxies et 400 000 forêts Lyman-alpha. Moins d’un an après, en mars 2025, l’analyse du double de données a produit des conclusions nouvelles : l’énergie noire paraît dynamique, évoluant temporellement. Ce résultat contredit deux décennies d’observations soutenant un modèle statique, provoquant un véritable séisme scientifique.
L’explication la plus simple de l’accélération cosmique invoquait une constante cosmologique, désignée lambda (Λ), dans les équations d’Einstein. Einstein l’avait introduite pour stabiliser théoriquement l’Univers, puis l’avait abandonnée quand Hubble prouva l’expansion. Aujourd’hui, une constante cosmologique légèrement plus élevée expliquerait l’accélération observée. Cependant, son interprétation physique demeure énigmatique.
Un scénario alternatif envisage l’énergie noire comme un nouveau fluide cosmique, caractérisé par une équation d’état w = p/ρ, où p est la pression et ρ la densité. Contrairement à la matière ordinaire (w = 0), l’énergie noire nécessite une pression négative (w négatif) pour contrebalancer la gravité et accélérer l’expansion. Une constante cosmologique constitue un cas particulier de ce cadre général, avec w = – 1 constant dans le temps.
Un troisième scénario propose que la relativité générale soit incomplète. Bien que confirmée dans les régimes de fort champ gravitationnel, elle n’a jamais été testée précisément aux échelles cosmologiques où le champ gravitationnel reste extrêmement faible. Des modifications des lois einsteiniennes à ces échelles auraient pu passer inaperçues.
Depuis 1998, l’énergie noire a semblé correspondre aux critères d’une simple constante cosmologique. Le modèle cosmologique standard, validé par le fond diffus cosmologique et les observations BAO, décrivait un Univers plat rempli de matière et d’énergie noire constante. Pendant plus de vingt ans, ce cadre a rendu compte efficacement de l’ensemble des données observationnelles, bien que quelques tensions aient subsisté.
La constante cosmologique soulève toutefois un problème profond : son interprétation comme énergie du vide. Si le vide quantique bouillonne de paires particule-antiparticule virtuelles selon Heisenberg, son énergie calculée atteindrait 10114 joules par mètre cube. Or, la gravitation n’exige que 10–9 joules par mètre cube. L’écart colossal de 123 ordres de grandeur demeure inexpliqué, même en invoquant des mécanismes de compensation théoriques.
Les résultats de Desi ont transformé ce paysage scientifique. Grâce à sa cartographie 3D exceptionnelle couvrant 12 milliards d’années, la collaboration a retracé l’expansion cosmique avec une résolution inédite, subdivisée en sept intervalles temporels. Les mesures BAO ont atteint une précision remarquable de 0,3 %, permettant de comparer directement avec les prédictions du modèle standard et révélant une surprise majeure.
Pour assurer l’objectivité, la collaboration Desi a effectué ses analyses initiales sur des données volontairement brouillées, masquant les distances et la zone BAO pertinente. Seule après la validation complète des méthodes l’analyse vraie fut appliquée. Les résultats stupéfiants contredisaient partiellement le modèle établi : une légère différence de 2 % émergea entre les données Desi et les prédictions fondées sur le fond diffus cosmologique.
Bien qu’apparemment minime, cette divergence s’avérait significative au regard de la précision de Desi. Cette tension relança l’hypothèse d’une énergie noire évolutive, remettant en question l’idée d’une constante temporelle. Les paramètres d’équation d’état, w₀ (valeur actuelle) et w_a (variation temporelle), devaient être examinés attentivement plutôt que simplement fixés.
Les données BAO de Desi, combinées au fond diffus cosmologique et aux supernovæ, indiquent une valeur de w₀ supérieure à – 1 et un w_a non nul. Ces résultats contredisent une simple constante cosmologique (w₀ = – 1, w_a = 0) avec une fiabilité statistique de 3 à 4σ, impliquant une probabilité inférieure à 0,3 % que ce soit une fluctuation aléatoire. L’énergie noire aurait donc réellement évolué, s’affaiblissant dans les périodes récentes, tandis que l’accélération cosmique persiste mais ralentit.
Le programme Desi, prolongé jusqu’en décembre 2028, n’agit pas isolément. Le satellite européen Euclid, lancé en 2023, et l’observatoire Vera Rubin compléteront bientôt cette enquête cosmique. Multiplier les instruments et croiser les approches permettra de confirmer ou nuancer les conclusions révolutionnaires de Desi. Les cosmologistes mondiaux s’efforcent désormais de donner un sens cohérent à ces découvertes potentiellement transformatrices.
