Des mathématiciens de l’université Vanderbilt (États-Unis) ont mis au point une nouvelle théorie sur la “viscosité cosmologique » qui remet en question les théories actuelles.

Pendant des décennies, les cosmologistes ont eu du mal à concilier la notion classique de viscosité sur la base des lois de la thermodynamique avec la théorie de la relativité générale  d’Einstein, selon l’équipe, qui présente maintenant une nouvelle formulation mathématique du problème qui semble combler ce vieux fossé.

Le nouveau calcul a d’importantes implications pour le destin de l’univers. Il tend à favoriser l’un des scénarios les plus radicaux que les cosmologistes ont développés : le « Big Rip. »

La viscosité cosmologique représente la mesure de la résistance d’un fluide à l’expansion(dilatation) ou à la contraction. La raison pour laquelle nous n’y avons pas souvent à faire dans la vie quotidienne, c’est parce que la plupart des liquides que nous côtoyons ne peuvent être que faiblement compressés ou étendus sur Terre.

Le mathématicien Marcelo Disconzi a commencé par aborder le problème des fluides relativistes (qui se déplacent à une vitesse proche de la lumière). Les objets astronomiques qui produisent ce phénomène comprennent les supernovae (étoiles qui explosent) et les étoiles à neutrons (étoiles qui se sont compactées pour se réduire d’environ 1000 fois leur taille initiale, atteignant les 10 à 20 km de diamètre).

Le problème, c’est que personne n’a réussi à trouver un procédé reconnu permettant de manipuler des fluides visqueux se déplaçant à des vitesses relativistes (proche de la lumière). Dans le passé, les modèles formulés pour prédire ce qui se passe quand ces fluides sont accélérés à une fraction de la vitesse de la lumière ont été en proie à des contradictions, comme de prédire que, sous certaines conditions, ces liquides pourraient voyager plus vite que la vitesse de la lumière.

Selon Disconzi :

Ceci est désastreusement mauvais, car il est bien prouvé expérimentalement que rien ne peut voyager plus vite que la vitesse de la lumière.

Ces problèmes ont inspiré le mathématicien pour reformuler les équations de la dynamique des fluides relativistes de manière à ne pas reproduire la faille permettant d’atteindre des vitesses plus rapides que la lumière. Il a basé son approche sur celle qui a été avancée dans les années 1950 par le mathématicien français André Lichnerowicz. Ensuite, Disconzi a fait équipe avec les physiciens Thomas Kephart et Robert Scherrer pour appliquer ses équations à une théorie cosmologique plus large.  Ils ont produit un certain nombre de résultats intéressants, comme quelques nouvelles idées sur la mystérieuse nature de l’énergie sombre.

Dans les années 1990, des mesures astronomiques ont montré que l’univers est en expansion à un rythme toujours plus rapide. Pour expliquer cette accélération imprévue, ils ont été contraints de supposer de l’existence d’une forme inconnue d’énergie répulsive qui se propage dans tout l’univers. Parce qu’ils en savaient très peu sur ce sujet, ils l’ont baptisé « l’énergie sombre ».

A ce jour, la plupart des théories sur l’énergie sombre n’ont pas pris en compte la viscosité cosmique, malgré le fait qu’elle ait un effet répulsif étonnamment similaire à celui de l’énergie sombre.

Selon Disconzi :

Il est possible, mais peu probable que la viscosité pourrait expliquer l’accélération qui a été attribuée à l’énergie sombre. Il est plus probable qu’une fraction significative de l’accélération pourrait être due à cette cause plus prosaïque. En conséquence, la viscosité peut agir comme une contrainte importante sur les propriétés de l’énergie noire.

L’autre résultat intéressant concerne le sort ultime de l’univers. Depuis la découverte de l’expansion de l’univers, les cosmologistes ont mis au point un certain nombre de scénarios dramatiques pour l’avenir.

Un scénario, surnommé le « Big Freeze, » prédit que, après environ 100 000 000 000 000 années, l’univers aura tellement “grossi” que les les réserves de gaz deviendront trop faibles pour que puisse se former les étoiles. En conséquence, celles existantes se consumeront progressivement, ne laissant que les trous noirs qui, à leur tour, s’évaporeront lentement alors que l’espace devient de plus en plus froid.

Le scénario encore plus radical est donc le « Big Rip ». Il est fondé sur un type d’énergie noir « fantôme » qui devient de plus en plus forte au fil du temps. Dans ce cas, le taux d’expansion de l’univers devient si important que dans 22 milliards d’années les corps commenceront à tomber en morceaux et les atomes se désassembleront en particules élémentaires non liées et en rayonnement.

La valeur clé impliquée dans ce scénario est le rapport entre la pression et la densité de l’énergie sombre, ce qu’on appelle le “paramètre de l’équation d’état”. Si cette valeur descend en dessous de -1 alors l’univers finira par être séparé. Les cosmologistes ont appelé cela la “barrière fantôme. » Dans les modèles précédents comprenant la viscosité, l’univers ne pourrait pas évoluer au-delà de cette limite.

Cependant, dans la formulation de Desconzi et ses collègues, cette barrière n’existe pas. A la place, il fournit un moyen naturel pour l’équation du paramètre d’état de tomber en dessous de -1. Ainsi, dans ce nouveau modèle, la viscosité entraîne l’univers vers cette extrémité.

Selon les scientifiques, les résultats de leur analyse pour cette nouvelle formulation relativiste de la viscosité sont très prometteurs, mais une analyse beaucoup plus approfondie doit être effectuée pour déterminer sa viabilité. La seule façon est d’utiliser de puissants ordinateurs pour analyser les équations complexes. De cette façon, les scientifiques peuvent faire des prédictions qui peuvent être comparées avec des expériences et des observations.

La nouvelle approche/ théorie par le professeur de mathématiques Marcelo Disconzi en collaboration avec le professeur de physique Thomas Kephart et Robert Scherrer est décrite dans un article publié dans la revue Physical Review D. : New approach to cosmological bulk viscosity. Image d’entête, Jeremy Teaford, Université Vanderbilt.