Deux mathématiciens ont proposé une théorie unifiée de la matière noire et de l’énergie noire, modifiant les équations d’Einstein qui décrivent la gravitation.

Shouhong Wang, professeur au Département de Mathématiques à l’Université d’Indiana, et Tian Ma, professeur à l’Université Sichuan, suggèrent que la loi de conservation de l’énergie et de la quantité de mouvement dans l’espace-temps n’est valide que lorsque matière, matière noire et énergie noire sont toutes prises en compte. Pour la matière seule, ils affirment qu’énergie et quantité de mouvement ne sont plus conservés.

« De nombreuses personnes ont élaboré diverses théories pour l’énergie noire, » a dit Wang. « Malheureusement, le mystère perdure, et de fait constitue peut-être le plus grand mystère de la cosmologie et de l’astrophysique. » L’énergie noire est considérée comme l’un des plus grands problèmes de la physique théorique.

« L’autre grand mystère de notre Univers est qu’il contient bien plus de matière que ce que l’on peut trouver dans les étoiles qu’on observe. On appelle la masse manquante matière noire, et malgré de nombreuses tentatives pour la détecter, l’énigme demeure et grandit. »

Les chercheurs postulent que le tenseur énergie-impulsion (un outil mathématique qui représente la répartition de masse et d’énergie dans l’espace-temps) pour la matière « normale » n’est plus conservé et que de nouvelles équations de champ gravitationnel découlent de la relativité générale et du principe d’équivalence d’Einstein, ainsi que de la dynamique Lagrangienne, de la même façon qu’Einstein avait établi ses équations de champ. Wang a ajouté que les nouvelles équations étaient la seule et unique solution issue de la non-conservation du tenseur énergie-impulsion de la matière « normale ».

Quand Einstein a développé sa théorie, énergie noire et matière noire n’avaient pas encore été découvertes, il était donc naturel pour lui d’établir sa théorie en utilisant la loi de conservation de l’énergie et de la quantité de mouvement, a dit Wang.

« La différence entre les nouvelles équations de champ et les équations d’Einstein est l’ajout d’une dérivée covariante de deuxième ordre d’un champ scalaire potentiel. La théorie de la gravitation est fondamentalement changée et est maintenant décrite par la métrique de l’espace-temps courbe, du nouveau champ scalaire potentiel et de leurs interactions. »

Les tenseurs fournissent une structure concise pour résoudre les problèmes de la relativité générale. La dérivée covariante de deuxième ordre serait l’analogue géométrique d’une dérivée de deuxième ordre en calcul, qui mesure comment le taux de changement d’une quantité change lui-même.

Associée au champ scalaire, la densité d’énergie est composée d’énergies positives et négatives qui représentent un nouveau type d’énergie causée par la distribution non uniforme de la matière dans l’Univers. Cette densité d’énergie varie avec le mouvement des galaxies et la redistribution de matière, affectant chaque partie de l’Univers comme un champ.

Wang précise que l’énergie négative produit une attraction tandis que l’énergie positive produit une force de répulsion fondamentalement différente des quatre forces – gravitation, électromagnétisme, interaction faible et interaction forte – reconnues en physique aujourd’hui.

« Par dessus tout, cette nouvelle énergie et ces nouvelles équations de champ offrent une théorie unifiée pour la matière noire et l’énergie noire qui jusqu’à maintenant ont toujours été considérées comme deux monstres différents partageant uniquement le qualificatif ‘noire’, » a dit Wang. « Matière noire et énergie noire peuvent maintenant être représentées par la somme de la nouvelle densité d’énergie et l’énergie de couplage entre le tenseur énergie-impulsion et le champ scalaire potentiel. »

La partie négative de cette somme représente la matière noire, qui produit une attraction, et la partie positive représente l’énergie noire, responsable de l’accélération de l’expansion.

« En un mot, nous pensons que cette nouvelle théorie de la gravitation va changer notre vision de l’énergie, des interactions gravitationnelles, de la structure et de la formation de notre Univers, » dit Wang.

Kevin Zumbrun, du Département de Mathématique à l’IU Bloomington, pense que la nouvelle théorie unifiée a l’air solide.

« C’est spéculatif au niveau cosmologique, puisqu’il faut coller aux observations, mais les mathématiques sont solides. C’est un angle nouveau et élégant, et si il s’avère que ça colle aux observations, alors c’est une énorme découverte. C’est plutôt excitant! » a-t-il dit.

Enfin, il faudra donc confronter cette nouvelle théorie aux observations avant de pouvoir se prononcer. En attendant, le « côté obscur » de l’Univers demeure un mystère. Cette élégante suggestion sera-t-elle la réponse que cherchent les cosmologistes? Qui sait.

Référence

Gravitational Field Equations and Theory of Dark Energy and Dark Matter

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