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Vers la fin de la constante cosmologique ? Les nouveaux résultats de la collaboration DESI renforcent cette hypothèse.

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Le destin de l’Univers dépend de l’équilibre entre la matière et l’énergie noire. Cette dernière est l’ingrédient fondamental qui alimente l’accélération de son expansion. Les nouveaux résultats de la collaboration DESI (Dark Energy Spectroscopic Instrument) s’appuient sur la plus grande carte en 3D de notre Univers jamais réalisée pour retracer l’influence de l’énergie noire au cours des 11 derniers milliards d’années écoulées. Les chercheurs constatent que l’énergie noire, jusque-là largement considérée comme une « constante cosmologique », pourrait en fait évoluer au fil du temps de manière inattendue.

DESI est une expérience internationale à laquelle participent plus de 900 chercheurs de plus de 70 institutions du monde entier et qui est gérée par le Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) du ministère américain de l’énergie (DOE). Les membres de la collaboration ont fait part de leurs conclusions aujourd’hui dans plusieurs articles publiés sur le dépôt en ligne arXiv et lors d’une présentation au Global Physics Summit de l’American Physical Society à Anaheim, en Californie.

« Ce que nous observons est palpitant », déclare Arnaud de Mattia, physicien à l’Institut de Recherche sur les lois Fondamentales de l’Univers (IRFU) au CEA-Paris Saclay et qui a co-dirigé le groupe de travail sur l’estimation des paramètres cosmologiques jusqu’en 2024. « Nous sommes peut-être à l’aube d’une avancée majeure de notre compréhension de l’énergie noire, cette mystérieuse composante qui représente 70 % de l’énergie de l’Univers. »

Dans le modèle de l’Univers communément admis, l’accélération de son expansion au cours des 7 derniers milliards d’années est expliquée par une constante cosmologique. Cette « constante » cosmologique constitue la forme la plus simple d’énergie noire dont les propriétés seraient constantes au cours du temps. Les données de DESI, lorsque considérées seules, sont compatibles avec ce modèle. Cependant, si l’on associe ces nouvelles mesures à d’autres, il y a de plus en plus d’indications que l’impact de l’énergie noire pourrait s’affaiblir au fil du temps et que d’autres modèles pourraient mieux convenir. Ces autres mesures comprennent la lumière résiduelle de l’aube de l’Univers (le fond diffus cosmologique ou CMB), l’explosion d’étoiles (supernovæ) et la façon dont la lumière provenant de galaxies lointaines est déformée par la gravité (observations de lentilles gravitationnelles faibles).

« Jusqu’à présent, le modèle cosmologique actuel basé sur une simple constante cosmologique pour décrire l’énergie noire semblait suffire pour expliquer un vaste ensemble de données. » explique Pauline Zarrouk, cosmologiste au CNRS responsable de l’équipe DESI au Laboratoire de Physique Nucléaire et des Hautes Energies (LPNHE, CNRS / Sorbonne Université) et qui a co-dirigé l’analyse DESI publiée en novembre dernier. « Or, ces nouveaux résultats avec plus de données mettent en évidence de plus en plus de craquelures du modèle, qui semblent être le signe d’une physique au-delà de la constante cosmologique, et le modèle d’énergie noire dynamique est une piste prometteuse ! »

La préférence pour une énergie noire qui évolue au cours du temps n’a pas encore atteint le seuil d’une découverte mais les nouveaux résultats de DESI, combinés aux données supplémentaires sur le fond diffus cosmologique, l’effet de lentille faible et différentes analyses de supernovæ, renforcent la préférence pour un modèle d’énergie noire dynamique.

Cette nouvelle analyse avec trois ans de données, tout comme la précédente, qui portait sur seulement un an de données, a utilisé une technique permettant de cacher les résultats aux scientifiques jusqu’à la fin, afin d’atténuer tout préjugé inconscient (ou “biais de confirmation”) concernant les données, et surtout, concernant les résultats obtenus.

« Les mesures sur lesquelles DESI s’appuie pour étudier l’Univers sont vraiment très précises », d’après Eric Armengaud, physicien à l’IRFU au CEA-Paris Saclay et co-directeur du groupe de travail Lyman-alpha, qui cartographie la partie la plus lointaine de l’Univers accessible par DESI. « Nous avons mesuré le lien entre la taille et l’âge de l’Univers tel qu’il était jusqu’à il y a environ 11 milliards d’années, avec une précision meilleure que le pourcent. Nous nous sommes d’abord assurés de la robustesse de nos mesures avec un grand nombre de tests, puis nous avons regardé leurs implications. Il semblerait donc que l’Univers nous dit qu’il est plus compliqué que nous le pensions ! »

À mesure que la collaboration accumule les données, la précision statistique des résultats se renforce. Mais il y a un revers à la médaille. Ces résultats deviennent de plus en plus vulnérables à des biais, de plus en plus infimes, liés aux mesures. On parle de biais systématiques. Pour que la robustesse des prédictions reste inattaquable, des équipes entières se consacrent donc à faire la chasse à ces biais systématiques. « Chaque année, nous nous efforçons de mieux comprendre nos données. Leur qualité exceptionnelle exige un travail acharné pour contrôler les biais systématiques et rester à la hauteur », explique Matthew Pieri, professeur au Laboratoire d’Astrophysique de Marseille (LAM). « C’est un réel défi que nous avons dû relever car la précision statistique de DESI s’améliore à mesure que nous accumulons plus de données. »

L'instrument de DESI est le long cylindre noir accroché au bout de l'armature métallique du télescope. Cet instrument de pointe peut capter la lumière de 5000 objets simultanément.
L’instrument de DESI est le long cylindre noir accroché au bout de l’armature métallique du télescope. Cet instrument de pointe peut capter la lumière de 5000 objets simultanément.
Crédit : Marilyn Sargent/Berkeley Lab.

DESI est l’une des plus vastes études du cosmos jamais réalisées. Cet instrument de pointe peut capter simultanément la lumière de 5 000 galaxies. Il a été construit et est exploité grâce à un financement de l’Office of Science du DOE aux États-Unis, avec des contributions techniques françaises majeures. DESI est monté sur le télescope de 4 mètres Nicholas U. Mayall de la Fondation nationale des sciences des États-Unis (NSF) à l’Observatoire national de Kitt Peak (un programme de NSF NOIRLab) en Arizona. L’expérience en est à sa quatrième année sur cinq de relevé du ciel, et il est prévu de mesurer environ 50 millions de galaxies et de quasars (galaxies très lointaines avec un trou noir supermassif au centre) d’ici à la fin du projet.

La nouvelle analyse utilise les données des trois premières années d’observation et inclut près de 15 millions de galaxies et de quasars parmi les mieux mesurés. Il s’agit d’une avancée majeure, qui améliore la précision de l’expérience grâce à un ensemble de données plus de deux fois supérieur à celui utilisé dans la première analyse de DESI, qui laissait également entrevoir une évolution de l’énergie noire au cours du temps.

« Avec ces trois années d’observations, nous confirmons ce que nous avions entrevu lors des analyses précédentes avec un an de données, et les indices d’une évolution de l’énergie noire au cours du temps sont de plus en plus forts », déclare Etienne Burtin, physicien à l’IRFU au CEA Paris-Saclay et qui a co-dirigé le groupe de travail sur l’analyse des données de DESI jusqu’en 2024. « La collaboration travaille à l’exploitation maximale des données de DESI et d’autres instruments scrutent également l’Univers.  Des projets de télescopes futurs sont à l’étude pour percer les nombreux mystères de l’Univers. »

Les oscillations acoustiques de baryons ont une taille caractéristique, qui change uniquement à cause de l’expansion de l’espace-temps lui-même. En étudiant cette distance caractéristique entre deux galaxies à différents moments de l’histoire de l’Univers, les chercheurs cartographient l’expansion de l’espace-temps afin de comprendre le mécanisme à l’origine de l'expansion accélérée de l'Univers au cours des derniers 6-7 milliards d’années.
Les oscillations acoustiques de baryons ont une taille caractéristique, qui change uniquement à cause de l’expansion de l’espace-temps lui-même. En étudiant cette distance caractéristique entre deux galaxies à différents moments de l’histoire de l’Univers, les chercheurs cartographient l’expansion de l’espace-temps afin de comprendre le mécanisme à l’origine de l’expansion accélérée de l’Univers au cours des derniers 6-7 milliards d’années.
Crédit : Gabriela Secara, Perimeter Institut

DESI mesure l’influence de l’énergie noire en étudiant la façon dont la matière est répartie dans l’Univers. Les événements survenus au tout début de l’Univers ont laissé de subtiles traces dans la distribution de la matière, une caractéristique appelée oscillations acoustiques baryoniques (BAO). Ce phénomène physique engendre un motif dans la position des galaxies qui agit comme une règle standard dont la taille à différentes époques est directement affectée par l’expansion de l’Univers. La mesure de la règle à différentes époques permet de reconstruire l’histoire de l’expansion de l’Univers et montre aux chercheurs l’impact de l’énergie noire au cours de l’histoire. La précision de DESI avec cette approche est la meilleure au monde.

« Les résultats de la première année de DESI ont été les plus cités dans notre domaine en 2024. Autant dire que ceux que nous publions aujourd’hui sont très attendus et qu’ils constitueront certainement un socle incontournable pour améliorer la compréhension de notre Univers », précise Christophe Yèche, physicien et responsable de l’équipe DESI à l’IRFU au CEA-Paris Saclay. « C’est l’aboutissement de plus d’une décennie de travail et d’investissements dans un instrument que nous avons contribué à faire fonctionner de la meilleure des façons. »

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Des vidéos présentant la nouvelle analyse de l’expérience sont disponibles sur la chaîne YouTube de DESI. En plus de dévoiler ses derniers résultats sur l’énergie noire lors de la réunion de l’APS aujourd’hui, la collaboration DESI a également annoncé que sa première version de données (DR1) est maintenant disponible pour tout le monde. Avec des informations sur des millions d’objets célestes, l’ensemble des données soutiendra un large éventail de recherches astrophysiques par la communauté scientifique, en plus des objectifs de la collaboration DESI en matière de cosmologie.

Les déchets des fourmis au secours des prairies dégradées

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Le vote du règlement européen relatif à la restauration de la nature en 2024 a mis en évidence l’importance de la restauration écologique des écosystèmes pour lutter contre le changement climatique et la perte de biodiversité. Les techniques de restauration écologique sont multiples, impliquant des interventions de génie civil, ainsi que des solutions fondées sur la nature telles que la réintroduction d’espèces ingénieures des écosystèmes. Cependant, cette dernière méthode présente des risques pour la biodiversité et le fonctionnement des écosystèmes, surtout lorsque les interactions entre espèces sont mal maitrisées. En effet, la réintroduction d’espèces, qu’il s’agisse de renforcer des populations existantes ou d’en introduire de nouvelles, peut créer des déséquilibres écologiques en perturbant les habitats (modification, création, destruction…).

Face à ces risques, des chercheurs de l’IMBE, en collaboration avec la Société des Carrières de la Ménudelle (SCLM), ont testé une nouvelle approche, consistant à utiliser les productions naturelles des espèces elles-mêmes, notamment leurs déchets. L’équipe a ainsi épandu des dépotoirs de nids de fourmis moissonneuses (Messor barbarus L.) dans des prairies sèches méditerranéennes, en remplacement du semis de mélanges d’espèces commerciales ou du transfert de foins. Cette méthode, qui vise à restaurer ces prairies suite aux dégradations que l’agriculture intensive et l’exploitation de carrières ont pu occasionnées,repose sur le fait que les fourmis, en tant qu’ingénieurs écologiques, jouent un rôle clé dans la dynamique de l’écosystème. Elles collectent des graines et les déposent dans leurs dépotoirs, où elles sont stockées et mélangées avec des enveloppes et des graines non consommées.

Les résultats après six mois montrent que les sites tests, qu’ils soient en terrines sous serre ou sur le terrain, présentent une végétation plus riche et plus proche de l’écosystème cible que les sites ensemencés avec un mélange de graines commerciales. En outre, l’épandage de dépotoirs de nids récoltés localement s’avère complémentaire aux opérations de transfert de foins, car les fourmis y déposent des graines d’espèces annuelles de petite taille non collectées par les engins mécaniques lors de la récolte des foins, lesquels ramassent plutôt des espèces herbacées de grande taille.

Ces résultats s’expliquent en partie par le fait que les fourmis moissonneuses concentrent dans leurs dépotoirs une grande quantité de graines viables d’espèces différentes récoltées aux abords de leurs nids (que ce soit une stratégie alimentaire ou plus simplement un processus de tri peu efficace), rapprochant ainsi spatialement la future production de graines l’année suivante.

Cette approche représente donc une méthode de restauration prometteuse, à faible impact environnemental et à coût réduit. Ces dépotoirs constituent de véritables « sachets de graines » riches en espèces de l’écosystème à restaurer. Collectés facilement sur le terrain, ils offrent une solution simple et efficace pour restaurer les prairies méditerranéennes dégradées, et ce, sans perturber davantage les écosystèmes locaux. Cette démarche pourrait être adaptée à d’autres écosystèmes, en fonction du type de dégradations subies et des objectifs de restauration visés. 

Restauration expérimentale d’une prairie sèche méditerranéenne par épandage de dépotoirs de nids de fourmis dans une zone dégradée par l’exploitation d’une carrière.
Restauration expérimentale d’une prairie sèche méditerranéenne par épandage de dépotoirs de nids de fourmis dans une zone dégradée par l’exploitation d’une carrière. Crédit : Léa Saby, IMBE.

Une super-Terre dans la zone habitable d’une étoile proche

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Cette découverte a été réalisée grâce à la méthode des vitesses radiales, qui détecte les infimes oscillations d’une étoile causées par la gravité d’une planète en orbite. Plus de 20 ans de données recueillies par les instruments HARPS et ESPRESSO, situés au Chili, ont été analysées pour identifier cette planète. C’est grâce à un travail très minutieux d’analyse de données d’archives, suivi de programme haute cadence de deux ans que la présence de la planète a pu être confirmée.

Plusieurs instruments sont en train d’être développés pour parvenir d’ici 2040 à observer l’atmosphère d’exoplanètes de type terrestres. HD 20794 d, avec une masse 5,8 fois supérieure à celle de la Terre et une orbite de 647 jours, sera une cible de choix pour étudier l’atmosphère des planètes terrestres et y chercher des traces de vie. Ces observations permettront en particulier de déterminer s’il s’agit d’une planète rocheuse ou gazeuse.

La zone habitable du système HD 20794
La zone habitable du système HD 20794 © UNIGE

La mer monte et les deltas s’enfoncent : l’avenir fragile des berceaux de la civilisation à l’Anthropocène

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Un groupe international de scientifiques d’Europe, des États-Unis et d’Asie incluant des scientifiques du CNRS (voir encadré), explore comment les deltas fluviaux ont joué un rôle central dans le développement des sociétés au cours des 7 000 dernières années. Depuis l’essor des premiers centres de pouvoir et des cités-États en Mésopotamie, dans le delta du Nil et dans les deltas asiatiques, l’étude révèle comment la croissance naturelle de ces deltas — alimentée par les sédiments des fleuves — a accompagné le progrès humain. Les deltas ont favorisé des innovations en gestion de l’eau, contrôle de la subsidence et atténuation de l’érosion, créant ainsi une profonde interdépendance entre la civilisation humaine et ces environnements dynamiques. Cependant, alors que les deltas continuent de soutenir des mégapoles et de vastes activités économiques, ils sont de plus en plus sous pression à l’Anthropocène.

Pour assurer leur durabilité, les deltas doivent résister à l’élévation du niveau de la mer due au réchauffement climatique. Pourtant, les pressions humaines et la réduction des apports sédimentaires les rendent de plus en plus vulnérables, ce qui constitue une menace majeure pour leur survie. L’étude expose les défis critiques auxquels sont confrontés les deltas, notamment en matière de gouvernance, de gestion et de planification, et souligne l’importance des nouvelles technologies et stratégies pour répondre à ces problèmes. Malgré les solutions potentielles, les auteurs insistent sur le fait que sans stabilisation du climat, il sera extrêmement difficile de préserver les deltas. Dans les scénarios d’élévation extrême du niveau de la mer (jusqu’à ou dépassant deux mètres dans les deux prochains siècles), les deltas pourraient progressivement s’enfoncer, rendant la vie humaine et les activités économiques dans ces régions insoutenables.

Cette étude envisage un avenir marqué par des migrations massives depuis des deltas inondés vers des terres plus élevées, mettant potentiellement fin à la longue relation entre les humains et les deltas. En fin de compte, le monde pourrait devoir s’adapter à vivre avec des deltas partiellement ou entièrement submergés.

Le changement climatique : une menace avérée pour le plancton calcifiant

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Le changement climatique exerce une pression croissante sur les écosystèmes marins, affectant notamment les foraminifères planctoniques, des micro-organismes essentiels au cycle du carbone océanique. Une étude récente, menée par le centre de recherche CEREGE à Aix-en-Provence (Université Aix-Marseille, CNRS, IRD & INRAE), la Fondation pour la Recherche sur la Biodiversité (FRB) au sein du Centre de Synthèse et d’Analyse sur la Biodiversité (CESAB) à Montpellier, ainsi que l’Institut Max Planck de Chimie à Mayence (Allemagne), révèle que les populations de foraminifères diminuent à un rythme sans précédent en raison du réchauffement et de l’acidification des océans. Les niveaux élevés de CO₂, responsables de l’acidification des eaux, compliquent la formation des coquilles de ces organismes unicellulaires, menaçant leur survie. Ces sentinelles climatiques migrent vers des eaux plus fraîches pour tenter de s’adapter, mais les changements environnementaux se produisent plus rapidement qu’elles ne peuvent s’y ajuster.

L’équipe internationale, composée de scientifiques français, allemands, néerlandais, japonais et espagnols, a analysé près de 200 000 échantillons de foraminifères collectés depuis 1910 afin d’étudier leur réponse au changement climatique. L’étude, récemment publiée dans la revue Nature, montre que ces espèces migrent vers les pôles, en quête d’eaux moins chaudes, à un rythme pouvant atteindre 10 kilomètres par an. En examinant des profils verticaux, les chercheurs ont également constaté que certaines espèces se déplacent plus en profondeur dans l’océan pour échapper au réchauffement des températures de surface. Malgré ces déplacements, les populations de foraminifères ont diminué de 25 % au cours des 80 dernières années. Les espèces tropicales sont les plus touchées, car le réchauffement intense dans ces régions perturbe probablement leurs cycles reproductifs, entraînant un déclin majeur.

Les chercheurs estiment que d’ici la fin du XXIe siècle, de nombreuses espèces de foraminifères planctoniques pourraient être confrontées à des conditions environnementales sans précédent, dépassant potentiellement leurs seuils de survie. Cela pourrait conduire à de nouvelles extinctions dans les régions tropicales, avec des répercussions conséquentes sur les écosystèmes marins et le stockage du carbone. L’augmentation des niveaux de CO₂ dans l’océan, limite la formation de carbonate de calcium, un composant essentiel pour la construction des coquilles des foraminifères. La production réduite de coquilles de foraminifères planctoniques pourrait ainsi réduire la quantité de carbone piégée dans les fonds marins. Néanmoins, certaines espèces pourraient migrer vers les régions polaires à la recherche d’eaux plus fraîches, favorables à leur développement.

Des questions clés subsistent quant à la manière dont ces espèces s’adapteront à une acidification extrême et à des environnements en rapide évolution. Cela met en lumière la nécessité de recherches supplémentaires sur leurs stratégies d’adaptation et les efforts de conservation pour protéger les écosystèmes marins face au changement climatique en cours.

Cette recherche a été financée par la Fondation pour la Recherche sur la Biodiversité (FRB) au sein du Centre de Synthèse et d’Analyse sur la Biodiversité (CESAB) et cofinancée par l’Institut Max Planck de Chimie (MPIC) à Mayence, en Allemagne, le programme CNRS-INSU LEFE et l’Initiative d’Excellence d’Aix-Marseille Université – A*MIDEX.

Impact des mégots de cigarettes sur la diversité des bactéries et des métaux en milieu marin

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Les chercheurs de l’Institut méditerranéen d’océanologie (MIO, France) et de l’Institut national des sciences et technologies de la mer (INSTM, Tunisie) se sont donc donné comme objectif d’évaluer l’impact des mégots de cigarettes sur la diversité des microorganismes et la libération de métaux dans l’environnement marin en Tunisie.

Ils ont montré que les mégots de cigarettes augmentaient les concentrations en fer, manganèse et zinc dans le milieu marin, contribuaient à l’acidification de l’eau de mer et modifiaient la composition des bactéries présentes dans les sédiments de surface en favorisant le développement de bactéries généralement connues pour vivre dans des sites hydrothermaux sous-marins profonds, appelés « fumeurs noirs ».