A la fin, nous serons seuls. Si seuls qu’il n’y aura plus rien à voir, là haut, dans le ciel. Ce ciel nocturne aujourd’hui illuminé d’étoiles et de galaxies s’assombrira, au fur et à mesure que les galaxies s’éloignent au delà de l’horizon.

C’est là le morne futur que nous prédit le modèle cosmologique standard, dans lequel l’expansion de l’Univers ne cesse d’accélérer. La responsable de ce phénomène, appelée énergie noire par les astrophysiciens, demeure un total mystère après plusieurs décennies. S’agit-il d’une force répulsive issue de l’énergie du vide, ou bien la gravité se comporte-t-elle différemment aux grandes échelles? Les deux options ont leurs partisans, et les deux présentent des problèmes de taille…

Et si ce qui se cache derrière cet étrange phénomène était quelque chose de beaucoup plus « banal »? Et si l’énergie noire n’était autre qu’une forme d’ondes électromagnétiques, au même titre que la lumière? Des ondes électromagnétiques avec une longueur d’onde si grande qu’elle serait des milliards de fois plus grande que l’Univers observable. C’est justement la proposition, osée diront certains, de deux cosmologistes qui pensent que de telles ondes pourraient expliquer les champs magnétiques que nous observons jusque dans les régions les plus vides de notre Univers.

A l’heure actuelle, le suspect le plus populaire est connu comme la constante cosmologique, une énergie constante émergeant d’un bain de particules virtuelles qui d’après la théorie quantique remplissent constamment l’espace, autrement désespérément vide.

Pour rendre compte de l’accélération observée, l’énergie noire devrait  avoir une densité d’énergie de l’ordre du joule par kilomètre cube d’espace. En ajoutant la contribution énergétique de toutes les particules virtuelles, les physiciens obtiennent deux valeurs possibles: soit zero, ce qui n’est pas vraiment une bonne nouvelle, soit une énergie quelques 10120 fois supérieure (c’est à dire un facteur de 1 suivi de 120 zeros!), ce qui n’est pas une bonne nouvelle non plus!

D’autres chercheurs, face à de tels problèmes, ont alors décidé d’explorer une autre voie: le phénomène serait peut-être dû à la gravité elle-même. A des distances supérieures à plusieurs milliards d’années-lumière, la gravité pourrait peut-être avoir une action répulsive… Evidemment, c’est aller au-delà de la relativité générale d’Eisntein, ce qu’une vaste majorité de chercheurs aujourd’hui qualifient de plutôt « dangereux ». Aussi, la relativité générale prédit-elle avec une précision extrême le mouvement des étoiles et des planètes, il peut donc sembler fou de vouloir la mettre en doute.

Fort heureusement, ceci n’empêche pas certains de continuer à explorer cette voie. Ainsi, Jose Beltrán et Antonio Maroto ont « joué » avec une version modifiée de la gravité connue sous le nom de théorie vecteur-tenseur (en 2008), se rendant compte que celle-ci reproduisait les effets de la mystérieuse énergie noire. Puis les deux chercheurs finirent par remarquer que la nouvelle théorie, supposée décrire une étrange forme de gravité, leur rappelait d’autres équations.

« Elles ressemblaient à de l’électromagnétisme, on a commencé à penser qu’il pouvait y avoir une connexion, » dit Beltrán.

Les chercheurs ont alors décidé de voir ce qu’il se passait si leurs équations ne décrivaient non pas des masses et l’espace-temps, mais des aimants et des courants électriques. Un nouveau regard sur l’électromagnétisme, en quelque sorte. Comme c’est souvent le cas avec les forces fondamentales de la nature, l’électromagnétisme apparaît plus simple lorsque les choses viennent en petits morceaux, ou quanta. Ici les quanta sont des photons, particules sans masse ni charge qui portent les fluctuations des champs électriques et magnétiques, pointant tous deux à angle droit de la direction de leur mouvement.

Cette description, connue sous le nom d’électrodynamique quantique (QED), explique une grande variété de phénomènes, du comportement de la lumière à celui des forces qui unissent les molécules. La QED, qui a soi-disant été la théorie testée le plus précisément à ce jour, a cependant un cadavre ou deux dans le placard… En effet, celle-ci ne décrit pas uniquement les photons, mais également deux autres entités étrangères.

La première est une onde dans laquelle le champ électrique pointe dans la même direction que le mouvement, plutôt qu’à angle droit comme c’est le cas avec des photons ordinaires. Ce mode longitudinal se déplace plutôt comme une onde sonore dans l’air. La deuxième entité, appelée mode temporel, n’a aucun champ magnétique. C’est une onde de pur potentiel électrique. Comme toutes les entités quantiques, ces ondes viennent sous la forme de paquets de particules, formant deux nouvelles sortes de photons.

Etant donné que ceux-ci n’ont jamais été observés, les physiciens ont trouvé un moyen de les cacher. Ils s’en débarrassent à l’aide d’une astuce mathématique, la jauge de Lorenz, qui indique que tous les attributs de ces particules sont exactement opposés, s’annulant ainsi respectivement.

La théorie de Beltrán et Maroto ressemble donc à l’électromagnétisme, mais sans la jauge de Lorenz. Ils ont examiné toutes leurs équations afin de voir les implications cosmologiques qu’elles pourraient avoir.

Ces étranges ondes normalement bannies par la jauge de Lorenz pourraient voir le jour sous la forme de brèves fluctuations quantiques – des ondes virtuelles dans le vide – et ensuite disparaître. Aux tous premiers instants de l’Univers, cependant, on suppose qu’une phase d’expansion d’une extrême violence a eu lieu, l’inflation. Cette phase d’expansion a alors grandement amplifié toutes sortes de fluctuations quantiques: cela a créé  des variations dans la densité de matière, par exemple, donnant finalement naissance aux galaxies et autres structures qui peuplent l’Univers.

C’est justement là que les choses deviennent intéressantes: l’inflation pourrait avoir amplifié ces nouvelles ondes électromagnétiques. Beltrán et Maroto ont trouvé qu’un tel phénomène laisserait derrière lui d’immenses modes temporels: des ondes de potentiel électrique avec des longueurs d’ondes largement supérieures à la taille de l’Univers observable. Ces ondes contiennent évidemment de l’énergie, mais elles sont si grandes que nous ne les percevrions simplement pas comme des ondes. Leur énergie serait donc invisible, noire… de l’énergie noire, peut-être?

Beltrán et Maroto ont nommé leur théorie « magnétisme noir ». Contrairement à la constante cosmologique, le magnétisme noir pourrait bien expliquer la quantité d’énergie noire dans l’Univers. L’énergie dans ces modes temporels dépend très précisément du moment auquel l’inflation a commencé. Un moment possible se situe 10 billionièmes de seconde après le Big Bang, lorsque l’Univers a refroidi sous une température critique et que l’électromagnétisme s’est séparé de la force nucléaire faible pour devenir une force à part entière.

La physique aurait alors connu un changement brutal, peut-être suffisant pour engendrer l’inflation. Si l’inflation s’est produite lors de cette « transition électro-faible », les deux chercheurs ont trouvé que les modes temporels produits auraient une densité d’énergie proche de celle de l’énergie noire. L’accord entre les deux est d’un ordre de grandeur (une des valeurs est 10 fois plus grande que l’autre), ce qui peut sembler plutôt imprécis… Cependant, on peut sans aucun doute y voir une prouesse en comparaison avec la constante cosmologique…

La théorie pourrait également expliquer l’existence de champs magnétiques aux grandes échelles cosmiques. Entre les galaxies, on observe indéniablement la signature de champs magnétiques, polarisant la lumière. Bien que la formation turbulente et la croissance des galaxies puissent amplifier un champs pré-éxistant, l’origine de celui-ci demeure incertaine.

Plus étrange encore, des champs magnétiques semblent avoir envahi même les régions les plus vides de l’Univers. Ici encore, le magnétisme noir pourrait apporter une réponse « simple »: le magnétisme noir produirait, en plus des immenses modes temporels, de plus petites ondes longitudinales rebondissant partout dans l’Univers. Ces ondes pourraient générer le magnétisme observé aux grandes échelles et dans les régions les plus désertes de l’Univers.

Malgré tout, les deux scientifiques veulent rester prudents, étant donné qu’il est toujours risqué de vouloir bousculer une théorie bien établie. Des prédictions pourraient émerger de la théorie et être en totale contradiction avec les observations.

Mais Beltrán et Maroto ont vite été rassurés, car bien que leur théorie rende possible l’existence de ces modes temporels et longitudinaux, la seule chose qui puisse les générer est un champ gravitationnel ultra-piuissant tel que le champ répulsif apparu durant l’inflation. En d’autres termes, à l’échelle de notre système solaire, tout se passe comme le prévoit la QED.

Comment dire alors, si les deux cosmologistes ont vu juste? Le magnétisme noir n’est pas facile à tester. Il est presque constant et aurait un effet quasiment identique à une constante cosmologique, il est donc impossible de les départager simplement en observant l’accélération de l’expansion au cours du temps.

Le fond diffus cosmologique pourrait bien trancher. Ce rayonnement, émis alors que l’Univers n’était âgé que de quelques centaines de milliers d’années, porte l’empreinte des variations causées par l’inflation dans la densité de matière. Il pourrait porter une autre marque: l’inflation devrait avoir énergisé les ondes gravitationnelles, qui auraient ainsi influencé la polarisation des micro-ondes cosmiques d’une manière particulière. Cela renseignerait alors les chercheurs sur la violence et le timing de l’inflation. Le satellite européen Planck pourrait trouver cette signature. Si Planck ou une mission future montre que l’inflation a eu lieu avant la transition électro-faible, alors les scientifiques pourront abandonner le magnétisme noir, en tout cas dans sa forme actuelle.

Un jour prochain, nous pourrions même voir la « lumière » du magnétisme noir. Dans sa forme présente, la théorie prédit que les ondes longitudinales ont une longueur d’onde de l’ordre de quelques centaines de millions de kilomètres, une distance plus grande que celle nous séparant de notre étoile. La détection d’une onde électromagnétique nécessite un instrument guère plus petit que la longueur d’onde: un tel signal pourrait être détecté à l’aide d’un réseau de radiotélescopes spatiaux à travers le système solaire. Si l’inflation a eu lieu plus tôt, alors ces ondes longitudinales seront être à la portée de télescopes terrestres. Beltrán suggère qu’elles pourraient être détectées par le Square Kilometer Array, prévu pour la prochaine décennie.

Si ces ondes électromagnétiques noires peuvent être produite par d’intenses champs gravitationnels, ils pourraient être encore produits de nos jours autour de trous noirs. Beltrán suggère que le trou noir central de la Voie Lactée pourrait émettre de telles ondes. Les deux cosmologistes ont prévu des calculs afin de déterminer si celles-ci seront détectables.

Ils ont d’ores et déjà calculé la tension de l’Univers. La tension des immenses modes temporels a d’abord été nulle au moment de leur création à l’inflation, puis a constamment augmenté. Aujourd’hui, cette tension est estimée à 1027 Volts, soit 1o milliards de milliards de milliards de Volts.

Bien heureusement, cette tension n’a nulle part où se décharger. A moins que, par un mystérieux hasard digne d’un best-seller de science-fiction, un univers parallèle ne se balade dans les parages. La rencontre détruirait alors probablement l’Univers tel que nous le connaissons… Au moins, cela réserverait à notre Univers une fin un peu plus grandiose qu’une baignade dans une mer d’obscurité. Le plus dantesque des finals, un feu d’artifice sans commune mesure.

 

Référence

The Dark Magnetism of the Universe, Jose Beltran Jimenez, Antonio L. Maroto arXiv:1112.1106v1

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