Énergie noire : une prépublication chiffre le couplage minimal avec la matière noire

Un passage apparent sous la valeur -1

Les mesures des oscillations acoustiques de baryons (BAO, des repères de distance tirés de la répartition des galaxies) réalisées par l'instrument DESI (Dark Energy Spectroscopic Instrument, consacré à l'énergie noire) favorisent, avec le fond diffus cosmologique (la lumière la plus ancienne de l'Univers) et des supernovae de type Ia (des explosions d'étoiles utilisées comme repères), une énergie noire dont l'équation d'état, c'est-à-dire le rapport entre sa pression et sa densité d'énergie, était inférieure à -1 dans le passé et est supérieure à -1 aujourd'hui.

Un champ scalaire ordinaire, une forme simple d'énergie décrite par une seule grandeur variable, ne peut pas franchir cette valeur. L'étude montre qu'il peut en donner l'apparence s'il est couplé à la matière noire, c'est-à-dire si la masse de cette dernière dépend de la valeur du champ.

Les auteurs demandent quelle doit être la force minimale de ce couplage, quelle que soit la forme du potentiel (la fonction qui décrit l'énergie du champ selon sa valeur). Leur réponse : pour que ce passage apparent ait lieu, la matière noire doit avoir perdu une fraction minimale de sa masse après la recombinaison, l'époque où les atomes se sont formés et où la lumière a pu voyager librement. Cette fraction est fixée par H(z), le taux d'expansion de l'Univers à un décalage vers le rouge z donné, qui repère l'époque observée.

Un ordre de grandeur chiffré

Pour les meilleurs ajustements aux données DESI DR2 (la deuxième publication de données de l'instrument), il faudrait que la matière noire perde environ 5 à 7 % de sa masse d'ici z ≈ 0,8. Pour un couplage constant, le paramètre de couplage β, qui relie la variation de la masse à celle du champ, devrait alors être supérieur à une valeur minimale comprise entre 0,047 et 0,058.

En tenant compte des incertitudes des données, les chaînes de calcul publiques de DESI DR2 donnent une limite inférieure à 95 % pour la valeur absolue de β, comprise entre 0,025 et 0,038. Elle est plus basse que la valeur minimale précédente, les marges d'erreur des mesures étant prises en compte.

L'étude applique aussi cette borne à des ajustements publiés de quintessence couplée, un modèle où l'énergie noire est un champ qui évolue dans le temps. Tous les respectent. Ceux qui supposent un couplage constant ne reproduisent qu'une version peu marquée du passage.

Comment l'étude raisonne

Il s'agit d'un travail théorique : les auteurs établissent une borne valable pour tout potentiel, puis la confrontent aux données DESI DR2 et à des ajustements déjà publiés. La borne est atteinte dans le cas où le champ finit par s'immobiliser dans la plage de valeurs observée.

Ce que cela impliquerait

Si la borne est juste, un couplage constant ne peut pas être plus faible que cette valeur minimale. Lorsque le couplage dépend du champ, la borne s'applique à sa plus grande valeur. Les modèles dont le couplage, constant ou dans sa plus grande valeur, reste plus faible ne peuvent pas produire ce passage apparent. L'étude en déduit que deux effets connus du couplage ont une taille minimale : une attraction supplémentaire entre particules de matière noire d'au moins quelques dixièmes de pour cent de la gravité, et un signal de lentille gravitationnelle (la déformation de la lumière des galaxies lointaines par la masse) plus faible d'au moins quelques pour cent que ne le laisserait penser le regroupement de la matière noire.

Ce que l'étude ne prouve pas

Cette prépublication n'a pas encore été relue par d'autres chercheurs : ses calculs et ses conclusions restent à examiner. Le passage sous -1 est qualifié d'apparent, et ce résumé n'établit pas que l'énergie noire franchisse réellement cette valeur.

Le résultat dépend d'hypothèses : un champ scalaire couplé à la matière noire, une relation donnée entre couplage et champ, et des données combinées de l'instrument DESI, du fond diffus cosmologique et des supernovae de type Ia, avec leurs incertitudes. Une borne calculée dans un modèle ne dit pas ce qui se passe si ce modèle ne correspond pas à l'Univers réel. Les deux effets cités sont des conséquences attendues du couplage ; le résumé ne rapporte pas de mesure directe de ces effets.

Ce qui reste à établir

Plusieurs points restent ouverts. Le premier est la réalité du passage sous la valeur -1, que les données favorisent sans la trancher, avec des incertitudes qui font varier les valeurs chiffrées de la borne entre 0,025 et 0,058 selon les calculs retenus. Le deuxième est la mesure éventuelle des deux effets cités, qui pourrait permettre de vérifier la borne : c'est une piste déduite de l'étude, à vérifier. Le troisième est la relecture de ce travail par d'autres chercheurs.