Lorsqu’il s’agit de comprendre la structure de l’univers, la plupart de ce que les scientifiques pensent exister est confiné dans un domaine sombre et trouble. La matière ordinaire, ce que nous pouvons voir et toucher, ne représente que 5 % du cosmos. Le reste, disent les cosmologistes, est constitué d’énergie noire et de matière noire, des substances mystérieuses qualifiées de « sombres », en partie pour refléter notre ignorance de leur véritable nature.

Même si aucune idée n’est susceptible d’expliquer à elle seule tout ce que nous espérons savoir sur le cosmos, une idée introduite il y a deux ans pourrait répondre à quelques grandes questions. Appelé le scénario de dimension sombre, il propose une recette spécifique pour la matière noire et suggère un lien intime entre la matière noire et l’énergie noire. Le scénario pourrait également nous expliquer pourquoi la gravité – qui sculpte l’univers aux plus grandes échelles – est si faible par rapport aux autres forces.

Le scénario propose une dimension encore inédite qui vit dans le domaine déjà complexe de la théorie des cordes, qui tente d'unifier la mécanique quantique et la théorie de la gravité d'Einstein. En plus des quatre dimensions familières – trois dimensions spatiales infiniment grandes plus une dimension temporelle – la théorie des cordes suggère qu’il existe six dimensions spatiales extrêmement petites.

Dans l’univers de la dimension sombre, l’une de ces dimensions supplémentaires est nettement plus grande que les autres. Au lieu d'être 100 millions de milliards de fois plus petit que le diamètre d'un proton, il mesure environ 1 micron de diamètre, ce qui est minuscule selon les normes quotidiennes, mais énorme par rapport aux autres. Des particules massives qui transportent la force gravitationnelle sont générées dans cette dimension sombre et constituent la matière noire qui, selon les scientifiques, représente environ 25 % de notre univers et forme la colle qui maintient les galaxies ensemble. (Les estimations actuelles estiment que les 70 % restants sont constitués d’énergie noire, qui est à l’origine de l’expansion de l’univers.)

Le scénario « nous permet d’établir des liens entre la théorie des cordes, la gravité quantique, la physique des particules et la cosmologie, [tout en] abordant certains des mystères qui leur sont liés », a déclaré Ignace Antoniadis, physicien à Sorbonne Université qui étudie activement la proposition de la dimension sombre.

Bien qu'il n'y ait aucune preuve pour l'instant de l'existence de la dimension sombre, le scénario fait des prédictions testables pour les observations cosmologiques et la physique sur table. Cela signifie que nous n’aurons peut-être pas à attendre longtemps pour voir si l’hypothèse résistera à un examen empirique – ou sera reléguée à la liste des idées alléchantes qui n’ont jamais tenu leur promesse initiale.

"La dimension sombre envisagée ici", a déclaré le physicien Rajesh Gopakumar, directeur du Centre international des sciences théoriques de Bangalore, a « le mérite d’être potentiellement exclu assez facilement à mesure que les expériences à venir se précisent ».

Diviner la dimension sombre

La dimension sombre a été inspirée par un mystère de longue date concernant la constante cosmologique – un terme, désigné par la lettre grecque lambda, qu'Albert Einstein a introduit dans ses équations de gravité en 1917. Croyant en un univers statique, comme beaucoup de ses pairs le faisaient , Einstein a ajouté le terme pour empêcher les équations de décrire un univers en expansion. Mais dans les années 1920, les astronomes ont découvert que l’univers était effectivement en train de gonfler et, en 1998, ils ont observé qu’il grandissait à un rythme accéléré, propulsé par ce que l’on appelle aujourd’hui communément l’énergie noire – qui peut également être désignée par lambda dans les équations.

Depuis lors, les scientifiques se sont penchés sur une caractéristique frappante du lambda : sa valeur estimée à 10^-122 en unités de Planck est « le plus petit paramètre mesuré en physique », a déclaré Cumrun Vafa, physicien à l'Université Harvard. En 2022, tout en considérant cette petitesse presque insondable avec deux membres de son équipe de recherche — Miguel Montero, actuellement à l'Institut de physique théorique de Madrid, et Irène Valenzuela, actuellement au CERN — Vafa a eu une idée : un lambda aussi minuscule est un paramètre véritablement extrême, ce qui signifie qu'il pourrait être pris en compte dans le cadre des travaux antérieurs de Vafa sur la théorie des cordes.

Auparavant, lui et d’autres avaient formulé une conjecture expliquant ce qui se produit lorsqu’un paramètre physique important prend une valeur extrême. Appelée conjecture de distance, elle fait référence à la « distance » dans un sens abstrait : lorsqu’un paramètre se déplace vers le bord éloigné du possible, prenant ainsi une valeur extrême, il y aura des répercussions sur les autres paramètres.

Ainsi, dans les équations de la théorie des cordes, les valeurs clés – telles que les masses des particules, le lambda ou les constantes de couplage qui dictent la force des interactions – ne sont pas fixes. Modifier l’un affectera inévitablement les autres.

Par exemple, un lambda extraordinairement petit, comme cela a été observé, devrait être accompagné de particules beaucoup plus légères, interagissant faiblement, dont les masses sont directement liées à la valeur du lambda. « Que pourraient-ils être ? » se demanda Vafa.

Alors que lui et ses collègues réfléchissaient à cette question, ils ont réalisé que la conjecture de distance et la théorie des cordes se combinaient pour fournir un aperçu clé supplémentaire : pour que ces particules légères apparaissent lorsque lambda est presque nulle, l'une des dimensions supplémentaires de la théorie des cordes doit être nettement plus grande que la dimension lambda. d’autres – peut-être assez grands pour que nous puissions détecter sa présence et même la mesurer. Ils étaient arrivés dans la dimension sombre.

La Tour Sombre

Pour comprendre la genèse des particules lumineuses déduites, nous devons remonter l’histoire cosmologique jusqu’à la première microseconde après le Big Bang. À cette époque, le cosmos était dominé par les radiations – des photons et d’autres particules se déplaçant à une vitesse proche de celle de la lumière. Ces particules sont déjà décrites par le modèle standard de la physique des particules, mais dans le scénario de la dimension sombre, une famille de particules qui ne font pas partie du modèle standard peut émerger lorsque les particules familières s'entrechoquent.

« De temps en temps, ces particules de rayonnement entraient en collision les unes avec les autres, créant ce que nous appelons des « gravitons sombres » », a déclaré Georges Obié, physicien à l'Université d'Oxford qui a contribué à la création la théorie des gravitons sombres.

Normalement, les physiciens définissent les gravitons comme des particules sans masse qui se déplacent à la vitesse de la lumière et transmettent la force gravitationnelle, à l'instar des photons sans masse qui transmettent la force électromagnétique. Mais dans ce scénario, comme l’explique Obied, ces premières collisions ont créé un type différent de graviton – quelque chose avec une masse. De plus, ils ont produit toute une gamme de gravitons différents.

"Il existe un graviton sans masse, qui est le graviton habituel que nous connaissons", a déclaré Obied. "Et puis il existe une infinité de copies de gravitons sombres, qui sont toutes massives." Les masses des gravitons sombres postulés sont, grosso modo, un nombre entier multiplié par une constante, M, dont la valeur est liée à la constante cosmologique. Et il y en a toute une « tour » avec une large gamme de masses et de niveaux d’énergie.

Pour avoir une idée de la façon dont tout cela pourrait fonctionner, imaginez notre monde à quatre dimensions comme la surface d’une sphère. Nous ne pouvons jamais quitter cette surface – pour le meilleur ou pour le pire – et cela est également vrai pour chaque particule du modèle standard.

Les gravitons, cependant, peuvent aller partout, pour la même raison que la gravité existe partout. Et c’est là qu’intervient la dimension sombre.

Pour imaginer cette dimension, a déclaré Vafa, pensez à chaque point de la surface imaginée de notre monde à quatre dimensions et attachez-y une petite boucle. Cette boucle est (au moins schématiquement) la dimension supplémentaire. Si deux particules du modèle standard entrent en collision et créent un graviton, le graviton « peut s’infiltrer dans ce cercle extra-dimensionnel et le contourner comme une onde », a expliqué Vafa. (La mécanique quantique nous dit que chaque particule, y compris les gravitons et les photons, peut se comporter à la fois comme une particule et comme une onde – un concept vieux de 100 ans connu sous le nom de dualité onde-particule.)

À mesure que les gravitons s’infiltrent dans la dimension sombre, les ondes qu’ils produisent peuvent avoir des fréquences différentes, chacune correspondant à différents niveaux d’énergie. Et ces gravitons massifs, voyageant autour de la boucle extra-dimensionnelle, produisent une influence gravitationnelle significative au point où la boucle s'attache à la sphère.

"Peut-être que c'est la matière noire ?" Vafa réfléchit. Les gravitons qu’ils avaient concoctés interagissaient, après tout, faiblement, mais capables de rassembler une certaine puissance gravitationnelle. L’un des mérites de cette idée, a-t-il noté, est que les gravitons font partie de la physique depuis 90 ans, ayant été proposés pour la première fois comme porteurs de la force gravitationnelle. (Il convient de noter que les gravitons sont des particules hypothétiques et n'ont pas été directement détectés.) Pour expliquer la matière noire, « nous n'avons pas besoin d'introduire une nouvelle particule », a-t-il déclaré.

Les gravitons qui peuvent s'infiltrer dans le domaine extra-dimensionnel sont des « candidats naturels pour la matière noire », a déclaré Georgi Dvali, directeur de l'Institut Max Planck de physique, qui ne travaille pas directement sur l'idée de la dimension sombre.

Une grande dimension telle que la dimension sombre postulée aurait de la place pour de longues longueurs d'onde, ce qui impliquerait des particules à basse fréquence, à faible énergie et de faible masse. Mais si un graviton sombre pénétrait dans l’une des minuscules dimensions de la théorie des cordes, sa longueur d’onde serait extrêmement courte et sa masse et son énergie très élevées. Des particules supermassives comme celle-ci seraient instables et de très courte durée. Ils « auraient disparu depuis longtemps », a déclaré Dvali, « sans avoir la possibilité de servir de matière noire dans l’univers actuel ».

La gravité et son porteur, les gravitons, imprègnent toutes les dimensions de la théorie des cordes. Mais la dimension sombre est tellement plus grande – de plusieurs ordres de grandeur – que les autres dimensions supplémentaires que la force de la gravité se diluerait, la faisant apparaître faible dans notre monde à quatre dimensions, si elle s’infiltrait sensiblement dans la dimension sombre plus spacieuse. . "Cela explique l'extraordinaire différence [de force] entre la gravité et les autres forces", a déclaré Dvali, notant que ce même effet serait observé dans d'autres scénarios extra-dimensionnels.

Étant donné que le scénario de la dimension sombre peut prédire des choses comme la matière noire, il peut être soumis à un test empirique. "Si je vous donne une corrélation que vous ne pourrez jamais tester, vous ne pourrez jamais me prouver le contraire", a déclaré Valenzuela, co-auteur de l'ouvrage. papier original de dimension sombre. "Il est bien plus intéressant de prédire quelque chose que l'on peut réellement prouver ou réfuter."

Les énigmes des ténèbres

Les astronomes connaissent l'existence de la matière noire – du moins sous une forme ou une autre – depuis 1978, lorsque l'astronome Vera Rubin a établi que les galaxies tournaient si vite que les étoiles situées à leur périphérie seraient projetées au loin s'il n'y avait pas de vastes réservoirs de substances invisibles. substance qui les retient. L’identification de cette substance s’est toutefois révélée très difficile. Malgré près de 40 ans d’efforts expérimentaux pour détecter la matière noire, aucune particule de ce type n’a été trouvée.

Si la matière noire s'avère être des gravitons noirs, qui interagissent extrêmement faiblement, a déclaré Vafa, cela ne changera pas. "Ils ne seront jamais retrouvés directement."

Mais il pourrait y avoir des opportunités de repérer indirectement les signatures de ces gravitons.

L'une des stratégies que Vafa et ses collaborateurs poursuivent s'appuie sur des études cosmologiques à grande échelle qui tracent la répartition des galaxies et de la matière. Dans ces distributions, il pourrait y avoir « de petites différences dans le comportement de regroupement », a déclaré Obied, qui signaleraient la présence de gravitons sombres.

Lorsque les gravitons sombres plus lourds se désintègrent, ils produisent une paire de gravitons sombres plus clairs avec une masse combinée légèrement inférieure à celle de leur particule mère. La masse manquante est convertie en énergie cinétique (conformément à la formule d'Einstein, E = mc²), ce qui donne un petit coup de pouce aux gravitons nouvellement créés – une « vitesse de frappe » estimée à environ un dix millième de la vitesse de la lumière.

Ces vitesses de frappe, à leur tour, pourraient affecter la façon dont les galaxies se forment. Selon le modèle cosmologique standard, les galaxies commencent par un amas de matière dont l’attraction gravitationnelle attire davantage de matière. Mais les gravitons ayant une vitesse de frappe suffisante peuvent échapper à cette emprise gravitationnelle. Si tel est le cas, la galaxie résultante sera légèrement moins massive que ce que prédit le modèle cosmologique standard. Les astronomes peuvent rechercher cette différence.

Les observations récentes de la structure cosmique de l'enquête Kilo-Degree sont jusqu'à présent cohérentes avec la dimension sombre : une analyse des données de cette enquête placé une limite supérieure sur la vitesse du coup de pied qui était très proche de la valeur prédite par Obied et ses co-auteurs. Un test plus rigoureux viendra du télescope spatial Euclid, lancé en juillet dernier.

Pendant ce temps, les physiciens prévoient également de tester l’idée de la dimension sombre en laboratoire. Si la gravité s'infiltre dans une dimension sombre mesurant 1 micron de diamètre, on pourrait, en principe, rechercher tout écart par rapport à la force gravitationnelle attendue entre deux objets séparés par cette même distance. Ce n'est pas une expérience facile à réaliser, a déclaré Armin Shayeghi, physicien de l'Académie autrichienne des sciences qui mène le test. Mais « il y a une raison simple pour laquelle nous devons faire cette expérience », a-t-il ajouté : nous ne saurons pas comment la gravité se comporte à des distances aussi proches tant que nous ne l'aurons pas regardé.

Les mesure la plus proche à ce jour – réalisé en 2020 à l’Université de Washington – impliquait une séparation de 52 microns entre deux corps de test. Le groupe autrichien espère atteindre à terme la plage du micron prévue pour la dimension sombre.

Bien que les physiciens trouvent la proposition de la dimension sombre intrigante, certains sont sceptiques quant à sa réussite. "Rechercher des dimensions supplémentaires grâce à des expériences plus précises est une chose très intéressante à faire", a déclaré Juan Maldacena, physicien à l’Institute for Advanced Study, « même si je pense que la probabilité de les trouver est faible ».

Joseph Conlon, physicien à Oxford, partage ce scepticisme : « De nombreuses idées seraient importantes si elles étaient vraies, mais ne le sont probablement pas. C'est l'un d'eux. Les conjectures sur lesquelles il se fonde sont quelque peu ambitieuses, et je pense que les preuves actuelles sont plutôt faibles. »

Bien sûr, le poids de la preuve peut changer, c’est pourquoi nous faisons des expériences en premier lieu. La proposition de la dimension sombre, si elle est étayée par les tests à venir, a le potentiel de nous rapprocher de la compréhension de ce qu'est la matière noire, comment elle est liée à l'énergie noire et à la gravité, et pourquoi la gravité semble faible par rapport aux autres forces connues. « Les théoriciens essaient toujours de « relier ensemble ». La dimension sombre est l’une des idées les plus prometteuses que j’ai entendues dans cette direction », a déclaré Gopakumar.

Mais ironiquement, la seule chose que l’hypothèse de la dimension sombre ne peut pas expliquer, c’est pourquoi la constante cosmologique est si incroyablement petite – un fait déroutant qui a essentiellement déclenché toute cette ligne d’enquête. "C'est vrai que ce programme n'explique pas ce fait", a admis Vafa. "Mais ce que nous pouvons dire, à partir de ce scénario, c'est que si lambda est petite - et vous en expliquez les conséquences - tout un ensemble de choses étonnantes pourraient se mettre en place."