Énergie noire, pression négative et serpillière

02.05.2014 par Richard Taillet, dans Astro

L'énergie noire, une des composantes qui semble représenter une proportion dominante de la densité d'énergie de notre univers, possède une propriété curieuse et parfois mal comprise : elle est caractérisée par une pression négative. La possibilité même qu'une pression puisse être négative peut sembler saugrenue, mais c'est une situation bien connue en physique, j'y reviendrai plus bas. Il est plus délicat de comprendre la relation entre la pression d'une composante et son effet sur l'expansion de l'Univers, et le but de cette note est de revenir sur cette relation et son caractère non intuitif.

De façon générale, la pression se manifeste généralement autour de nous comme une force agissant sur une surface (quantitativement, la pression peut s'exprimer comme une force par unité de surface) et tout étudiant en physique a été confronté au calcul de la pression dite cinétique, due aux chocs entre les molécules d'un fluide (gaz ou liquide) et la paroi qui le contient. Tout se passe comme si le gaz poussait sur la paroi et la pression est définie comme positive dans cette situation usuelle. Toutefois, si les molécules s'attirent entre elles et attirent celles de la paroi, la force exercée par le fluide peut être dirigée vers l'intérieur du récipient et tendre à le comprimer. On peut le mettre en évidence de façon expérimentale en tirant sur une colonne d'eau : prenez un tube vertical rempli d'eau, fermé en haut par une paroi et en bas par un piston. Si le piston est léger et la colonne d'eau pas trop haute (inférieure à 10 mètres, on a de la marge...), la colonne d'eau ne tombe pas car la pression atmosphérique s'exerçant sur le piston est supérieure au poids de l'eau et du piston  (mon conseil après avoir pris la photo ci-dessous : commencez à faire ça au-dessus d'un évier ou d'une baignoire, quelle que soit votre confiance en les lois immuables de la physique...).

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Jusqu'ici, pas de pression négative. Si maintenant on tire sur le piston vers le bas (en prenant certaines précautions : eau pure, récipient bien propre, serpillière au cas où...), on s'aperçoit que même si la force que l'on exerce vers le bas est supérieure à celle qu'exerce la pression atmosphérique vers le haut, la colonne d'eau résiste et ne tombe pas. C'est parce que les molécules d'eau s'attirent entre elles et attirent le piston. Dans cette situation, la pression de l'eau peut atteindre des valeurs négatives, on dit que l'eau est en tension, elle tire au lieu de pousser. Attention, je parle ici de pression absolue : il ne s'agit pas de dire que la pression est inférieure à la pression atmosphérique, donnant un différentiel négatif, mais bien que la pression elle-même est négative. L'expérience de l'eau en tension pourrait être réalisée dans une enceinte vide, dans laquelle la pression serait nulle.

Quel rapport avec la cosmologie et l'énergie noire, vous demandez-vous peut-être si vous avez tenu bon jusque là ? La cosmologie décrit l'évolution de l'Univers en s'appuyant sur la relativité générale, et dans ce cadre on montre que l'expansion de l'Univers est reliée à son contenu, plus précisément à son « tenseur énergie-impulsion ». Je ne vais pas du tout entrer dans le détail de cette notion, il suffit ici de savoir que pour un univers contenant principalement un fluide, c'est sa densité d'énergie et sa pression qui déterminent la façon dont l'expansion évolue au cours du temps : plus ces deux quantités sont élevées, plus l'expansion est ralentie (c'est-à-dire plus le taux d'expansion décroît rapidement).

L'influence de la densité d'énergie ne fait pas sourciller : on est prêt à admettre, en se souvenant que euhégalèmecédeux, qu'elle revient à considérer une densité de masse, et que la masse attire ce qu'elle entoure et ralentit l'expansion. Ce raisonnement n'est pas correct, car il fait intervenir l'action des masses sur le contenu de l'Univers, alors que l'expansion est une propriété de l'espace-temps lui-même. On s'en persuade en examinant l'effet de l'autre paramètre, la pression. On s'attendrait naïvement à ce que lorsque la pression est positive, le fluide cosmologique tende à s'expandre, comme un ballon dans lequel on souffle, alors que c'est le contraire qui se produit. Mais il n'y a pas de mystère : dans le cas très simple d'un gaz parfait, dans lequel les molécules n'exercent pas de force les unes sur les autres, la pression est due au mouvement de ces molécules et il est naturel qu'elle soit associée à un surplus d'énergie cinétique, et donc de masse (E=mc2, encore) par rapport à un gaz dont les molécules seraient immobiles. Cet excès de masse contribue bien à ralentir l'expansion.

Lorsqu'en 1998, plusieurs équipes ont clairement mis en évidence que l'expansion de l'Univers était accélérée, il a fallu envisager que celui-ci contienne une composante dont la pression est négative. C'est l'énergie noire, dont la nature échappe encore presque totalement aux cosmologistes, non pas parce qu'une pression négative serait un concept exotique, mais parce qu'on ne connaît pas de candidat naturel à l'échelle de l'univers (voir ici).

 


17 commentaires pour “Énergie noire, pression négative et serpillière”

  1. Xavier Répondre | Permalink

    Merci pour cet éclaircissement sur la matière noire.

    Ça me rappelle les élucubrations autour d'une possible matière de masse négative et des propriétés qui pourraient en découler !

  2. Richard Taillet Répondre | Permalink

    Bonjour Xavier et merci pour votre commentaire ! Ceci dit, ça ne devait pas être si clair que ça, car ça ne parle pas du tout de matière noire ! (oui je sais ma phrase est bizarre...) 😀

    • Xavier Répondre | Permalink

      Désolé pout la matière noire, j'ai écrit trop vite et je pensais à ma matière de masse négative 🙁

  3. patricedusud Répondre | Permalink

    Je précise que toute tentative de réaliser l'expérience du piston risque de se traduire par une petite inondation.
    Sinon concernant l'énergie noire, personnellement je reste un peu dans ... le noir mais il est vrai qu'il y a un bout de temps que j'ai du mal à suivre certains astrophysiciens parlant de ce sujet et ce n'est probablement pas de leur faute mais plutôt celle des limites de ma matière... grise; 🙂

  4. Richard Taillet Répondre | Permalink

    Merci pour vos remarques ! Là, si ce post est confus, j'en suis le seul responsable ! (ceci dit son but n'est pas d'expliquer ce qu'est l'énergie noire, personne n'en sait rien, mais plutôt de préciser le rapport entre pression négative et expansion accélérée).

    Bonne soirée ! 🙂

    • patricedusud Répondre | Permalink

      Votre explication est parfaitement limpide et n'est pas en cause dans mon "malaise". 🙂
      J'ai du mal avec les CONCEPTS d’énergie noire (mais aussi de matière noire) et d'ailleurs à ma connaissance il ne s'agit que d'hypothèses puisqu'on a jamais pu prouver leurs "existences".
      Elles me semblent combler un VIDE de connaissance, être une sorte de "bidouillage" AVANT la découverte d'un nouveau modèle réconciliateur que l'on attend depuis près d'un siècle.
      Mais c'est peut-être aussi la limite de formalisation de l'univers à laquelle l'esprit humain peut prétendre, c'est à dire être capable de VÉRIFIER expérimentalement.
      Quant on sait la "ridicule" énergie produite par le LHC par rapport aux besoins pour percer les secrets de l'aube de l'univers, on peut légitimement se poser cette question.
      Quant au concept de multivers (qui n'est pas le sujet de votre billet),je considère qu'il ne s'agit pas d'un concept scientifique puisqu'il est indémontrable donc infalsifiable et pourtant il alimente plein de spéculations sur l'origine de l'univers..

  5. Diziet Sma Répondre | Permalink

    Bonsoir,c'est vrai que ce concept de pression + ou - est plutot contre intuitif,mais votre papier me parait éclairer un truc qui jusque là me passait à 10 000 pieds.
    Peut-on le comparer à un élastique que l'on tire par ses 2 bouts et puis que l'on relache ?
    Pourquoi ,comme je l'ai déjà lu,l'expansion de l'Univers s'est-elle d'abord freinée avant de réaccélérer ?

    • Richard Taillet Répondre | Permalink

      Bonsoir,

      Dans votre proposition, c'est quoi que vous voulez comparer à un élastique ?

      Sinon pour votre dernière question, c'est parce que l'Univers est formé de plusieurs composantes : il contient de la matière, du rayonnement, et cette énergie noire. La matière et le rayonnement ont pour effet de freiner l'expansion, et il y longtemps, c'est eux qui dominaient. Or, leur densité d'énergie décroît rapidement avec l'expansion (ils se diluent) ce qui n'est pas le cas de l'énergie noire (une autre propriété contre-intuitive, reliée à cette pression négative). Du coup au bout d'un moment, la densité d'énergie noire a fini par l'importer et c'est elle qui impose aujourd'hui sa loi : l'expansion de l'Univers est accélérée.

      • Diziet Sma Répondre | Permalink

        Oups ! Je me demande si l'analogie de l'élastique n'est pas un peu foireuse.
        Tant pis,je cnbtinue quitte à m'enfoncer.
        J'avais imaginé qu'en tirant sur l'élastique,on avait un phénomène qui ressemble à la pression négative puique ses composants s'éloignent les uns des autres,et qu'au contraire en le relachant,on trouvait une sorte de pression positive,puisque dans ce cas,ces mèmes composants se rapprochent les uns des autres.
        Ce que l'on peut visualiser en dessinant des points sur l'élastique.
        Concernant votre réponse (au passage ,merci) sur l'expansion accélérée actuelle ,si je vous suis bien ; ce phénomène est-il encore réversible ?

        • david statucki | Permalink

          Bonjour,

          L'idée ou analogie de l'élastique en rapport avec la pression négative est déjà reprise dans le livre de Joseph silk "L'univers et l'infini", ceci pour illustrer le mécanisme d'inflation de l'univers et présenter le champs d'énergie qui entraîne l'inflation, qu'il nomme inflaton.

          Amicalement

  6. Diziet Sma Répondre | Permalink

    Merci David.
    En fait en y réfléchissant,il me semble que cette idée est une vague et vieille réminiscence de la lecture du bouquin de Brian Greene " The Fabric of cosmos" (2004).
    Du coup,je viens de le (re)commander et je vous le recommande si jamais vous ne l'aviez pas lu.
    Ce livre avait été une vraie révélation à l'époque et pour tout vous dire à l'origine de d'une curiosité inépuisable pour la cosmologie.
    Brian Greene est un spécialiste de la théorie des cordes (j'y cpmrends pas grand chose),mais surtout un vulgarisateur hors pair.

    • david statucki Répondre | Permalink

      Très bonne lecture en effet, je partage votre enthousiasme pour l'auteur précité. Dans un registre différent et du côté francophone hormis R.Taillet, JP Luminet est aussi une très bonne référence, son livre "Le destin de l'univers : Trous noirs et énergie sombre" reste un incontournable du sujet.

      Amicalement

  7. Diziet Sma Répondre | Permalink

    Absolument,peur-ètre le meilleur titre de JP Luminet.
    Puisque nous sommes dans les références,j'ajoute l'incontournable "Chat de Schrodinger" de John Gribbin pour la Mécanique Quantique,1984 pour la version anglaise et 2008 pour la dernière édition française.Un must !
    Tous ces scientifiques vulgarisateurs (art délicat) sont indispensables à la diffusion de leurs disciplines vers le grand public.
    D'ou toutes ces questions que je fais pleuvoir sur Richard Taillet,depuis que j'ai découvert qu'il tenait ce blog.
    Toutes mes excuses Richard,j'en ai encore des centaines dans mon sac.

  8. Yann Répondre | Permalink

    Bonjour,
    je m'intéresse au transfert d'eau dans les plantes, et votre passage sur la pression négative semble particulièrement adaptée pour comprendre comment la sève peut monter jusqu'à plus de 100m chez certains séquoias. Je n'arrive cependant pas à avoir les idées claires sur le sujet. Est-ce le même phénomène qui est à l'origine de l'expérience de chevaux tirant ,chacun de son côté, 2 disques collés, mais ne parvenant pas à les détacher?
    Auriez-vous quelques liens (ou une autre billet en cours d'élaboration) vers ces idées?
    Cordialement,

  9. Pekler Répondre | Permalink

    Contrairement à ce qui est écrit, l'énergie noire n'est pas une pression négative mais une pression qui augmente quand le volume augmente. C'est "l'équation d'état" qui est insolite. Dans un gaz la pression diminue quand le volume augmente.
    Il serait bon de préciser aussi que le seul candidat "l'énergie du vide" conduit à une valeur d'accélération de l'expansion trop forte d'un facteur 10 puissance 120.
    Il faut donc déjà expliquer pourquoi l'énergie du vide ne se manifeste pas et ensuite trouver le mécanisme correspondant à l'énergie noire.
    C'est pas vraiment gagné ...

      • Pekler Répondre | Permalink

        Je me suis mal exprimé. Ce qui compte c'est la façon dont la densité d'énergie varie avec le volume. Dans la matière ordinaire la densité d'énergie se dilue avec le volume. Les cosmologistes supposent que l'énergie noire aurait une densité qui resterait constante voire augmenterait avec le volume. La "constante cosmologique" correspond à une énergie noire dont la densité ne varierait pas avec le volume.
        Reste la deuxième partie de ma remarque avant de trouver un candidat à l'énergie noire il faudrait expliquer pourquoi le candidat "naturel" l'énergie du vide qui semble réelle, ne produit pas, comme elle le devrai, une expansion infiniment plus rapide que ce qui est observé.

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