Une nouvelle approche utilise le supervide local observé pour donner une impulsion supplémentaire à l’expansion de l’univers et résoudre la tension de Hubble

Les astronomes savent depuis un siècle que l’univers est en expansion. Nous pouvons désormais retracer cette expansion sur une grande partie de son histoire de près de 14 milliards d’années, avec des contraintes importantes remontant à seulement une seconde après le Big Bang ! Le taux d’expansion est aujourd’hui connu sous le nom de constante de Hubble (H0).

Nous pouvons trouver H0 en utilisant des observations faites à des époques précoces ou tardives de l’histoire cosmique, mais celles-ci donnent des réponses différentes. Cet écart est connu sous le nom de « tension de Hubble », véritable crise pour la cosmologie.

La première route vers H0 implique le fond diffus cosmologique (CMB), lumière laissée par le Big Bang. Il est presque uniforme quelle que soit la direction dans laquelle on regarde, mais il y a des fluctuations de 0,001 % dans le CMB, et celles-ci présentent un schéma caractéristique. Tout comme une corde de guitare n’émet des sons qu’à certaines fréquences en fonction de sa longueur, il en va de même avec le CMB.

En mesurant quels angles du ciel CMB ont plus de « bruit » et lesquels en ont moins, nous pouvons essentiellement écouter l’univers primitif et trouver sa taille au moment où le CMB a été émis.

Une modélisation détaillée de ces informations à l’aide du modèle standard de cosmologie connu sous le nom de Lambda-Cold Dark Matter (ΛCDM) montre qu’un bon ajustement n’est possible que pour un ensemble précis de paramètres cosmologiques, qui incluent H0 et les densités de matière et d’énergie noire, parmi d’autres choses.

Cette prédiction claire du taux d’expansion actuel peut être testée dans l’univers proche. Plus nous regardons loin, plus la lumière a voyagé longtemps, donc plus l’univers s’est étendu pendant cette période.

Cette expansion étire également les photons individuels, rendant les galaxies et les supernovae plus lointaines plus rouges. En traçant ce « redshift » en fonction de la distance à la supernova sur un « diagramme de Hubble », nous obtenons une relation presque linéaire connue sous le nom de loi de Hubble. Sa pente nous indique H0.

Cette approche donne systématiquement des valeurs H0 environ 8 % supérieures à celles basées sur le CMB, mais la marge d’erreur est inférieure à 2 %, d’où la tension de Hubble.

La mesure locale suppose que l’expansion cosmique est la seule contribution importante au redshift. Cela ne vaut pas pour la plupart des galaxies proches : Andromède présente un décalage vers le bleu car elle se rapproche de la Voie lactée grâce à leur gravité mutuelle, alors même que l’univers s’étend à de plus grandes échelles.

Pour minimiser l’effet de la structure locale, les astronomes ne prennent généralement pas en compte les supernovae dans un rayon d’environ 300 millions d’années-lumière lorsqu’ils mesurent H0. Mais comme le taux d’expansion a varié au fil du temps et que cela courbe la relation entre le redshift et la distance, ils ne dépassent pas non plus 2 milliards d’années-lumière. Cela laisse une « fenêtre » dans laquelle mesurer H0 à partir du diagramme de Hubble.

Comment un vide local peut aider

Mais à quel point cette fenêtre est-elle propre ? Peut-être pas aussi propre qu’on le croit généralement. Les observations sur l’ensemble du spectre électromagnétique suggèrent fortement que nous sommes situés près du centre d’une vaste région avec une densité inférieure à la moyenne. Ce vide cosmique est connu sous le nom de vide KBC du nom de ses découvreurs, qui ont utilisé le décompte des galaxies.

La matière s’éloignerait du vide KBC vers un environnement plus dense. Cela créerait des vitesses supplémentaires « particulières » en plus de l’expansion cosmique. Ces vitesses particulières s’éloigneraient largement de nous, créant un redshift supplémentaire qui augmenterait la mesure locale de H0.

Le redshift excédentaire augmenterait d’abord avec la distance, avant de retomber au-delà du vide. Nous avons montré dans un article de 2020 que cela pourrait résoudre la tension de Hubble et expliquer le nombre de galaxies, à condition que notre partie de l’univers soit environ 20 % moins dense que la moyenne à un milliard d’années-lumière de nous.

Un supervide aussi grand et profond est inattendu dans la théorie standard. Cependant, plusieurs indices suggèrent que les structures se développent plus rapidement que prévu, depuis les arcs géants et les anneaux de nuages ​​de gaz jusqu’aux collisions d’amas de galaxies comme El Gordo qui sont trop massives pour leur époque.

Dans nos modèles, nous avons dû augmenter artificiellement la force de gravité pour former le vide KBC. Nous pensons que cette modification n’affecterait que les échelles de longueur au-delà d’environ dix millions d’années-lumière, là où la force de gravité est difficile à tester.

Test du modèle de vide local

Dans un récent étudenous avons testé plus en détail l’idée du vide local. À l’aide de notre modèle de vide local précédemment publié, nous avons calculé le champ de vitesse qu’il prédit dans l’univers proche. L’étude a été publiée dans la revue Avis mensuels de la Royal Astronomical Society.

Cela dépend exactement de l’endroit où nous nous trouvons dans le vide. En choisissant un point d’observation approprié, nous avons constaté qu’il était possible d’obtenir une bonne correspondance avec le « flux massif », la vitesse moyenne de toute la matière dans une sphère d’un certain rayon fixe. Il y a quelques détails techniques car les astronomes n’ont accès qu’aux vitesses le long de la ligne de visée, mais le point principal est que le débit global peut être mesuré sans aucune hypothèse sur H0.

Le flux global dépend de la taille de la région considérée, les résultats étant désormais disponibles jusqu’à un peu plus d’un milliard d’années-lumière. Notre modèle correspond bien à ces observations. Cependant, le débit global observé aux rayons les plus grands est quatre fois supérieur aux attentes ΛCDM.

Nous travaillons sur plusieurs autres tests. L’un d’eux utilise les oscillations acoustiques baryoniques (BAO) comme « règle standard ». Les oscillations évidentes dans le CMB ont été imprimées sur la distribution de la matière à grande échelle, conduisant à une échelle de longueur caractéristique évidente dans les études de galaxies. Cette longueur n’augmente qu’en raison de l’expansion universelle.

En mesurant l’échelle angulaire de cette règle standard à différents moments, nous pouvons retracer l’historique de l’expansion. Dans l’univers local, une légère déviation devrait être apparente par rapport à une cosmologie sans vide, car la sortie du vide augmente le redshift, faussant la relation entre le redshift et l’échelle angulaire BAO. Les mesures du BAO au cours des vingt dernières années montrent précisément ce type d’écart.

ΛCDM ne peut pas résoudre la tension de Hubble ni expliquer un vide aussi grand et profond que celui observé. Peut-être que les cosmologistes devraient se sortir du trou qu’est la tension de Hubble en se plaçant juste au bon endroit à l’intérieur d’un véritable trou.

Cette histoire fait partie de Dialogue Science Xoù les chercheurs peuvent rendre compte des résultats de leurs articles de recherche publiés. Visitez cette page pour plus d’informations sur Science X Dialog et comment y participer.

J’ai un doctorat. de l’Université de Saint Andrews et y a effectué un postdoctorat, ainsi qu’une bourse Humboldt pendant trois ans à Bonn. J’ai travaillé sur la possibilité que nous soyons dans un vide d’un milliard d’années-lumière depuis 2019, motivé par des observations montrant le vide sur l’ensemble du spectre électromagnétique et la possibilité que le vide résolve la tension de Hubble.

Je travaille maintenant à l’Institut de cosmologie et de gravitation de l’Université de Portsmouth avec mon patron Harry Desmond pour tester cette idée, aux côtés d’autres chercheurs du monde entier.