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BBC Afrique of Monday, 26 April 2021

Source: bbc.com

Comment notre compréhension actuelle de l'univers est en réalité un aveu de notre ignorance

Plusieurs observations cosmologiques contradictoires pourraient être le signe que le modèle standard qui explique le fonctionnement de notre univers présente quelques fissures.

Par exemple, l'univers semble s'étendre 10 % plus vite qu'il ne le devrait, d'après les observations de la chaleur résiduelle du Big Bang.

Il est parfaitement possible que les contradictions disparaissent à mesure que nos estimations des paramètres cosmiques s'améliorent.

Mais il est également possible que ces contradictions ne disparaissent pas et que notre image fondamentale de l'univers soit sur le point de subir une révision radicale, peut-être pour inclure des composantes invisibles et "sombres".

Matière noire, énergie noire et inflation

La cosmologie est la science suprême.

Elle étudie des aspects tels que la naissance, l'évolution et le destin de l'univers.

Le modèle standard de la cosmologie est la théorie qui décrit la nature, la structure et l'évolution à grande échelle de l'univers.

Ce modèle comporte plusieurs ingrédients : le Big Bang, la matière noire, l'énergie noire et l'inflation.

Tout d'abord, parlons du Big Bang.

D'une part, les astronomes peuvent constater que les galaxies, qui sont les éléments constitutifs de l'univers, s'éloignent les unes des autres à la suite d'une explosion titanesque.

En outre, ils ont également observé que l'univers est imprégné d'une chaleur résiduelle, connue sous le nom de rayonnement de fond cosmologique.

Ensemble, ces deux observations indiquent aux astronomes que, dans le passé, l'univers était plus petit et plus chaud.

En fait, selon le modèle standard, l'univers est né d'une boule de feu il y a 13,82 milliards d'années, et n'a cessé de s'étendre depuis.

Selon cette explication, les galaxies ont commencé à se solidifier à partir des débris qui se refroidissaient.

Mais l'image de base du Big Bang nécessite quelques ingrédients supplémentaires, car elle est en contradiction avec les observations.

La première et la plus grave contradiction est que le Big Bang prédit que nous ne devrions pas exister.

Selon la théorie du Big Bang, lorsque la matière a émergé du Big Bang, elle s'est répandue de manière extrêmement fluide.

Par la suite, les régions les plus denses ont attiré la matière plus rapidement grâce à leur gravité plus forte.

Le résultat c'est les galaxies que nous voyons aujourd'hui.

Le problème est que ce processus aurait pris plus de 13,82 milliards d'années pour assembler des galaxies aussi massives que notre Voie lactée.

Pour résoudre ce problème, les cosmologistes ajoutent l'ingrédient de la matière noire invisible, dont la gravité supplémentaire a accéléré la formation des galaxies.

La deuxième façon dont le Big Bang entre en conflit avec les observations est qu'il prédit que l'expansion cosmique devrait être la plus lente.

La gravité agit comme un réseau élastique entre les galaxies, ralentissant la séparation entre elles.

En 1998, cependant, les astronomes ont découvert que, contrairement aux prévisions, l'expansion s'accélère.

La solution à ce problème est d'ajouter le concept d'énergie noire, quelque chose d'invisible, qui remplit tout l'espace et qui a une gravité répulsive.

C'est l'énergie sombre qui accélère l'expansion cosmique.

La troisième raison pour laquelle l'image du Big Bang est en contradiction avec les observations est que l'univers a la même température partout : la température du rayonnement de fond cosmologique, qui équivaut à 2 726 ºK (le zéro absolu est 0 ºK).

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Au début du Big Bang, les régions qui se trouvent aujourd'hui de part et d'autre de l'espace étaient trop éloignées pour que leurs températures s'égalisent.

Pour résoudre cette incongruité, les cosmologistes affirment qu'au départ, l'univers était beaucoup plus petit que prévu. Il a donc dû s'étendre plus rapidement pour atteindre sa taille actuelle en 13,82 milliards d'années.

En fait, on pense que l'univers, dans sa première fraction de seconde, a connu une expansion si violente qu'elle a été comparée à l'explosion d'une bombe à hydrogène. Ce phénomène est appelé inflation.

Le modèle standard de la cosmologie équivaut donc à l'addition du Big Bang + inflation + matière noire + énergie noire.

Techniquement, ce modèle est connu sous le nom de "Lambda-CDM".

Dans ce terme, le Big Bang et l'inflation sont implicitement supposés. Lambda fait référence à l'énergie noire et CDM signifie "matière noire froide".

"Froid" signifie que ses composants se déplacent lentement, de sorte que la gravité peut les concentrer en amas.

Quelque chose ne va pas avec la matière noire froide

La première contradiction entre le Lambda-CDM et les observations concerne les groupes de galaxies.

Selon ce modèle, la gravité fait que la matière noire s'agglutine en halos.

Ces halos de matière noire peuvent avoir des sous-groupes, appelés "subhalos".

Ces "subhalos" peuvent contenir de nombreuses étoiles, mais certains subhalos peuvent ne pas en avoir, ou en avoir si peu qu'ils sont invisibles. Cependant, il existe un moyen de les révéler.

Une équipe dirigée par le Dr Massimo Meneghetti, de l'Institut national d'astrophysique de Bologne, en Italie, a observé 11 amas de galaxies avec le télescope spatial Hubble et le Very Large Telescope de l'Observatoire européen austral au Chili.

Ils ont examiné la lumière provenant de galaxies lointaines et la façon dont elle était déformée lorsqu'elle traversait les subhalos invisibles.

Ce phénomène est connu sous le nom de "lentille gravitationnelle".

À la surprise de l'équipe, l'effet de lentille créé par les subhalogènes était beaucoup plus fort que prévu, ce qui indique qu'ils sont très compacts.

Cela entre en conflit avec le modèle de matière noire froide, selon lequel les subhalos devraient être beaucoup plus dilatés.

"Nous devons savoir si cette anomalie peut être causée par la façon dont nous analysons nos données ou par la façon dont nous faisons nos prédictions théoriques", explique Meneghetti. "Si nous ne pouvons pas l'expliquer, la seule option sera de revoir le modèle".

Une possibilité est que la matière noire ne soit pas composée de ce que nous pensons.

Les candidats privilégiés sont des particules massives qui interagissent faiblement avec la matière ordinaireuniquement par le biais de la gravité.

Ces particules massives à faible interaction, ou WIMPs, ne font pas partie du modèle standard de la physique des particules, mais sont prédites par une théorie spéculative appelée "supersymétrie".

"Peut-être que la matière noire est composée de particules qui interagissent de différentes manières avec les WIMPS", explique Meneghetti.

"Les alternatives possibles incluent un nouveau type de neutrino appelé "neutrino stérile", une autre classe de particules appelées "axions", ou même des trous noirs primordiaux, formés juste après le Big Bang."

La douceur de la matière

Le deuxième conflit entre Lambda-CDM et les observations concerne l'agglomération de la matière à grande échelle.

Une équipe dirigée par le professeur Koen Kuijken, de l'observatoire de Leyde, aux Pays-Bas, a analysé la distribution de 31 millions de galaxies extrêmement faibles dans les dernières données publiées par l'enquête européenne sur le kilogramme (KiDS).

La collaboration KiDS a utilisé le télescope d'exploration du Very Large Telescope au Chili pour observer deux grandes bandes de ciel.

Plus précisément, l'équipe de Kuijken a observé comment la lumière de ces galaxies était réfléchie gravitationnellement par la matière située entre elles et la Terre.

L'observation a permis de constater que la matière s'étalait 8,3 % moins brusquement que ce que prédit le modèle de matière noire froide.

Là encore, cette anomalie pourrait disparaître avec une meilleure analyse des données, ou une modification du modèle de matière noire froide.

Ou bien elle pourrait nous indiquer que le modèle est fondamentalement faux.

Mesure de la constante de Hubble

Le troisième conflit entre le Lambda-CDM et les observations est connu sous le nom de "souche de Hubble".

Ce terme fait référence à la constante de Hubble, une mesure du taux d'expansion actuel de l'univers. Il existe deux façons de la mesurer et elles se contredisent.

La première consiste à observer de subtiles variations de la température du rayonnement de fond cosmologique. Ces variations ont été imprimées sur le rayonnement par le "fluide" de matière et de rayonnement au début des temps.

Ces observations permettent d'appréhender des paramètres cosmologiques clés.

Le satellite européen Planck, par exemple, a découvert que l'univers est composé de 4,9 % de matière ordinaire (atomique), de 26,8 % de matière noire et de 68,3 % d'énergie noire.

Ces observations révèlent également la constante de Hubble dans l'univers primitif, qui peut être extrapolée jusqu'à aujourd'hui. Et c'est là que réside le problème : la valeur extrapolée est environ 10 % plus petite que la constante de Hubble observée aujourd'hui.

Il faut garder à l'esprit que la constante de Hubble déduite du rayonnement de fond cosmique est très précise, car la physique est simple et bien comprise.

En revanche, les mesures de la constante de Hubble dans l'univers actuel sont plus grossières et posent de nombreux problèmes.

Ces mesures impliquent de trouver des objets dont on pense qu'ils ont toujours la même luminosité intrinsèque, comme les variables céphéides et les supernovae de type 1a.

Comme des ampoules standard de 100 W placées dans un champ à minuit, ces "bougies standard" révèlent leur distance relative en fonction de leur intensité.

Le problème est que la physique de ces étoiles n'est pas bien comprise et qu'elles ne sont peut-être pas aussi standard que nous le pensons.

Il se pourrait donc que les mesures de distance de ces bougies standard soient erronées, ce qui produirait une constante de Hubble conforme à celle du rayonnement de fond cosmique.

Quelque chose de tout nouveau

D'un autre côté, il se pourrait que la nature nous dise quelque chose de nouveau sur l'univers.

Le "modèle standard de la cosmologie" est un aveu d'ignorance", déclare le professeur Abraham Loeb de l'université de Harvard.

"Nous appelons 'matière noire' et 'énergie noire' des composants dont nous ignorons la nature. Comme nous ne savons pas ce qu'ils sont, il s'agit d'un modèle très grossier qui pourrait facilement être une simplification excessive de la réalité."

Loeb souligne que la matière noire pourrait ne pas être un fluide un seul type de particule de matière noire.

"Il se peut qu'il n'y ait pas une seule particule de matière noire, mais plutôt un mélange de particules de masses et d'interactions différentes", dit-il.

La matière noire pourrait être complexe, tout comme la matière ordinaire, qui est composée de quarks et d'électrons qui s'assemblent en 92 éléments naturels.

En outre, les particules de matière noire peuvent se comporter de manière complexe. Par exemple, elles pourraient se désintégrer avec le temps, ce qui réduirait leur force gravitationnelle et freinerait ainsi l'expansion cosmique.

Un tel coup de pouce au taux d'expansion cosmique soulagerait la pression exercée sur Hubble.

Une façon possible de confirmer ou d'infirmer la tension de Hubble est d'utiliser des "sirènes standard", plutôt que des bougies standard.

Les ondes gravitationnelles sont des vibrations de l'espace-temps similaires aux ondes sonores et on pense qu'elles créent des étoiles à neutrons en fusion ; les sirènes standard, comme les phares des sirènes. Plus le son est faible, plus la sirène est éloignée.

"Les sources d'ondes gravitationnelles offrent la méthode la plus robuste pour résoudre les incertitudes dont nous disposons actuellement", déclare M. Loeb.

L'espoir est que ces techniques permettront de montrer si les contradictions actuelles entre les différentes observations sont réelles.

Le modèle standard de la cosmologie est relativement simple, malgré ses nombreux composants invisibles. Mais sa simplicité peut nous rendre aveugles à la réalité, qui peut être plus complexe.

"La nature", prévient Loeb, "n'a aucune obligation de se conformer à la version la plus simple".

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