Depuis quelques années, une série de controverses secoue la discipline bien établie de la cosmologie. En bref, les prédictions du modèle standard de l’univers semblent être en contradiction avec certaines observations récentes.
Il y a des débats houleux sur la question de savoir si ces observations sont biaisées ou si le modèle cosmologique, qui prédit la structure et l’évolution de l’univers tout entier, doit être repensé. Certains prétendent même que la cosmologie est en crise. Pour l’instant, nous ne savons pas quel camp l’emportera. Mais nous sommes sur le point de le savoir.
Pour être honnête, les controverses font partie du cours normal de la méthode scientifique. Et depuis de nombreuses années, le modèle cosmologique standard en a connu son lot. Ce modèle suggère que l’univers est constitué de 68,3 % d’« énergie noire » (une substance inconnue qui accélère l’expansion de l’univers), de 26,8 % de matière noire (une forme inconnue de matière) et de 4,9 % d’atomes ordinaires, mesurés très précisément à partir du fond diffus cosmologique, la rémanence du rayonnement du Big Bang.
Il explique très bien des multitudes de données L’Univers est un domaine d’étude à la fois à grande et à petite échelle. Il peut par exemple expliquer la répartition des galaxies autour de nous et la quantité d’hélium et de deutérium produite au cours des premières minutes de l’Univers. Et, peut-être plus important encore, il peut aussi parfaitement expliquer le fond diffus cosmologique.
C’est ce qui lui a valu la réputation de « modèle de concordance ». Mais une série de mesures incohérentes – ou « tensions » comme on les appelle en cosmologie – remet désormais en question la validité de ce modèle établi de longue date.
Des tensions inconfortables
Le modèle standard émet des hypothèses particulières sur la nature de l’énergie noire et de la matière noire. Mais malgré des décennies d’observations intenses, nous ne semblons toujours pas plus près de comprendre de quoi sont constituées la matière noire et l’énergie noire.
Le test décisif est la tension de Hubble. Elle est liée à la constante de Hubble, qui est le taux d’expansion de l’univers à l’heure actuelle. Lorsqu’elle est mesurée dans notre univers local proche, à partir de la distance aux étoiles pulsantes des galaxies proches, appelées Céphéides, sa valeur est de 73 km/s/Méga parsec (Mpc est une unité de mesure des distances dans l’espace intergalactique). Cependant, si elle est prédite théoriquement, la valeur est de 67,4 km/s/Mpc. La différence n’est peut-être pas grande (seulement 8 %), mais elle est statistiquement significative.
La tension de Hubble est devenue connue il y a une dizaine d’années. À l’époque, on pensait que les observations peut avoir été biaisé. Par exemple, les Céphéides, bien que très brillantes et faciles à voir, étaient regroupées avec d’autres étoiles, ce qui aurait pu les faire paraître encore plus brillantes. Cela aurait pu augmenter la constante de Hubble de quelques pour cent par rapport à la prédiction du modèle, créant ainsi artificiellement une tension.
Avec l’avènement du télescope spatial James Webb (JWST), qui peut séparer les étoiles individuellement, on espérait que nous aurions une réponse à cette tension.
Malheureusement, cela ne s’est pas encore produit. Les astronomes utilisent désormais deux autres types d’étoiles en plus des Céphéides (connues sous le nom d’étoiles de la branche de la pointe de la géante rouge (TRGB) et d’étoiles de la branche des géantes asymptotiques de la région J (JAGB)). Mais alors qu’un groupe a rapporté des valeurs des étoiles JAGB et TRGB qui sont incroyablement proche à la valeur attendue du modèle cosmologique, un autre groupe a affirmé qu’ils constatent encore des incohérences dans leurs observations. Pendant ce temps, les mesures des Céphéides continuent de montrer une tension de Hubble.
Il est important de noter que même si ces mesures sont très précises, elles peuvent néanmoins être biaisées par certains effets associés de manière unique à chaque type de mesure. Cela affectera la précision des observations, de manière différente pour chaque type d’étoile. Une mesure précise mais inexacte revient à essayer d’avoir une conversation avec une personne qui passe toujours à côté de l’essentiel. Pour résoudre les désaccords entre des données contradictoires, nous avons besoin de mesures qui sont à la fois précis et exact.
La bonne nouvelle est que la tension de Hubble est désormais une histoire en développement rapide. Peut-être aurons-nous la réponse d’ici un an ou deux. Améliorer la précision des données, par exemple en incluant des étoiles de galaxies plus lointaines, aidera à résoudre ce problème. De même, les mesures des ondulations de l’espace-temps, connues sous le nom d’ondes gravitationnelles, pourront également nous aider. identifier la constante.
Tout cela pourrait confirmer le modèle standard. Ou peut-être suggérer qu’il manque quelque chose. Peut-être que la nature de la matière noire ou la façon dont la gravité se comporte à des échelles spécifiques sont différentes de ce que nous croyons aujourd’hui. Mais avant de rejeter le modèle, il faut s’émerveiller de sa précision inégalée. Il ne rate la cible que de quelques pour cent au plus, tout en extrapolant sur plus de 13 milliards d’années d’évolution.
Pour mettre les choses en perspective, même les mouvements d’horlogerie des planètes du système solaire ne peuvent être calculés de manière fiable que depuis moins d’un milliard d’annéesaprès quoi ils deviennent imprévisibles. Le modèle cosmologique standard est une machine extraordinaire.
La tension de Hubble n’est pas le seul problème de la cosmologie. Une autre, connue sous le nom de « tension S8 », cause également des problèmesbien que pas à la même échelle. Ici, le modèle présente un problème de régularité, en prédisant que la matière dans l’univers devrait être plus regroupée que ce que nous observons réellement, d’environ 10 %. Il existe différentes manières de mesurer le « regroupement » de la matière, par exemple en analysant les distorsions de la lumière des galaxies, produites par la matière noire supposée intervenant le long de la ligne de visée.
Il semble qu’il y ait actuellement un consensus au sein de la communauté scientifique sur le fait qu’il faut dissiper les incertitudes des observations avant d’écarter le modèle cosmologique. Une façon possible d’atténuer cette tension est de mieux comprendre le rôle des vents gazeux dans les galaxies, qui peuvent expulser une partie de la matière, la rendant ainsi plus lisse.
Il serait utile de comprendre comment les mesures d’agglutination à petite échelle se rapportent à celles à plus grande échelle. Les observations pourraient également suggérer qu’il est nécessaire de modifier la façon dont nous modélisons la matière noire. Par exemple, si au lieu d’être entièrement constituée de particules froides et lentes, comme le suppose le modèle standard, la matière noire pouvait être mélangée à des particules particules chaudes et se déplaçant rapidementCela pourrait ralentir la croissance des grumeaux aux derniers temps cosmiques, ce qui atténuerait la tension S8.
Le JWST a mis en évidence d’autres défis pour le modèle standard. L’un d’eux est que les premières galaxies semblent être beaucoup plus massifs que prévuCertaines galaxies pourraient peser autant que la Voie Lactée aujourd’hui, même si elles se sont formées moins d’un milliard d’années après le Big Bang, ce qui suggère qu’elles devraient être moins massives.
Cependant, les implications contre le modèle cosmologique sont moins claires dans ce cas, car il pourrait y avoir d’autres explications possibles à ces résultats surprenants. La clé pour résoudre ce problème est d’améliorer la mesure des masses stellaires dans les galaxies. Plutôt que de les mesurer directement, ce qui n’est pas possible, nous déduisons ces masses à partir de la lumière émise par les galaxies.
Cette étape implique quelques hypothèses simplificatrices, qui pourraient se traduire par une surestimation de la masse. Récemment, il a également été avancé qu’une partie de la lumière attribuée aux étoiles de ces galaxies est générée par de puissants trous noirs. Cela impliquerait que ces galaxies ne sont peut-être pas si massives que ça.
Théories alternatives
Alors, où en sommes-nous aujourd’hui ? Si certaines tensions pourraient bientôt être expliquées par des observations plus nombreuses et plus précises, il n’est pas encore certain que tous les défis qui pèsent sur le modèle cosmologique soient résolus.
Les idées théoriques sur la façon de corriger le modèle ne manquent pas, peut-être trop, de l’ordre de quelques centaines et ce n’est pas finiC’est une tâche déroutante pour tout théoricien qui souhaiterait les explorer tous.
Les possibilités sont nombreuses. Peut-être devons-nous modifier nos hypothèses sur la nature de l’énergie noire. Peut-être s’agit-il d’un paramètre qui varie avec le tempscomme le suggèrent certaines mesures récentes. Ou peut-être devons-nous ajouter plus d’énergie noire au modèle pour stimuler l’expansion de l’univers aux premiers temps, ou, au contraire, aux derniers temps. Modifier la façon dont la gravité se comporte à de grandes échelles de l’univers (différemment de ce qui est fait dans les modèles appelés Dynamique Newtonienne Modifiée, ou MOND) peut également être une option.
Jusqu’à présent, aucune de ces alternatives ne peut toutefois expliquer la vaste gamme d’observations que le modèle standard peut fournir. Plus inquiétant encore, certaines d’entre elles peuvent aider à résoudre une tension mais en aggraver d’autres.
La porte est désormais ouverte à toutes sortes d’idées qui remettent en question les principes les plus fondamentaux de la cosmologie. Par exemple, nous pourrions devoir abandonner l’hypothèse selon laquelle l’univers est « homogène et isotrope » à très grande échellece qui signifie qu’il semble le même dans toutes les directions pour tous les observateurs et suggère qu’il n’y a pas de points spéciaux dans l’univers. D’autres proposent changements à la théorie de la relativité générale.
Certains imaginent même un univers de farceurs, qui participe avec nous à l’acte d’observationou qui change d’apparence selon qu’on le regarde ou non – quelque chose qui se produit, comme nous le savons, dans le monde quantique des atomes et des particules.
Avec le temps, nombre de ces idées seront probablement reléguées au cabinet de curiosités des théoriciens. Mais en attendant, elles offrent un terrain fertile pour tester la « nouvelle physique ».
C’est une bonne chose. La réponse à ces tensions viendra sans doute de plus de données. Au cours des prochaines années, une puissante combinaison d’observations provenant d’expériences telles que JWST, l’instrument spectroscopique à énergie sombre (DESI), Observatoire Vera Rubin et Euclide, parmi tant d’autres, nous aidera à trouver les réponses tant recherchées.
Point de basculement
D’un côté, des données plus précises et une meilleure compréhension des incertitudes systématiques des mesures pourraient nous ramener au confort rassurant du modèle standard. De ses difficultés passées, le modèle pourrait non seulement sortir justifié, mais aussi renforcé, et la cosmologie serait une science à la fois précise et exacte.
Mais si la balance penche dans l’autre sens, nous nous retrouverons en territoire inconnu, où de nouvelles découvertes en physique devront être réalisées. Cela pourrait conduire à un changement de paradigme majeur en cosmologie, comparable à la découverte de l’expansion accélérée de l’Univers à la fin des années 1990. Mais sur cette voie, nous devrons peut-être tenir compte, une fois pour toutes, de la nature de l’énergie noire et de la matière noire, deux des grands mystères non résolus de l’Univers.
Cet article est republié à partir de La Conversation sous licence Creative Commons. Lire la suite article original.