En 1916, Einstein a terminé sa théorie de la relativité générale, qui décrit comment les forces gravitationnelles modifient la courbure de l’espace-temps. Entre autres choses, cette théorie a prédit que l’univers est en expansion, ce qui a été confirmé par les observations d’Edwin Hubble en 1929. Depuis lors, les astronomes ont regardé plus loin dans l’espace (et donc, dans le temps) pour mesurer à quelle vitesse l’univers est en expansion. – également connue sous le nom de constante de Hubble. Ces mesures sont devenues de plus en plus précises grâce à la découverte du fond diffus cosmologique (CMB) et d’observatoires comme le télescope spatial Hubble.
Les astronomes l’ont traditionnellement fait de deux manières : directement en le mesurant localement (en utilisant des étoiles variables et des supernovae) et indirectement en se basant sur des mesures de décalage vers le rouge du CMB et des modèles cosmologiques. Malheureusement, ces deux méthodes ont produit des valeurs différentes au cours de la dernière décennie. En conséquence, les astronomes ont cherché une solution possible à ce problème, connue sous le nom de « tension de Hubble ». Selon un nouvel article d’une équipe d’astrophysiciens, l’existence d’une « énergie noire précoce » pourrait être la solution recherchée par les cosmologistes.
L’étude a été menée par Marc Kamionkowski, William R. Kenan, professeur junior de physique et d’astronomie à l’Université Johns Hopkins (JHU), et Adam G. Riess, astrophysicien et professeur émérite Bloomberg à JHU et au Space Telescope Science Institute ( STScI). Leur article, intitulé « The Hubble Tension and Early Dark Energy », est en cours d’examen pour publication dans le Revue annuelle de la science nucléaire et des particules (et actuellement disponible sur le arXiv serveur de préimpression). Comme ils l’expliquent dans leur article, il existe deux méthodes pour mesurer l’expansion cosmique.
La méthode directe consiste à utiliser des supernovae comme « bougies standard » (marqueurs de distance) pour effectuer des mesures à l’échelle locale. La méthode indirecte consiste à comparer les mesures du CMB avec des modèles cosmologiques, comme le modèle Lambda Cold Dark Matter (LCMD), qui inclut la présence de matière noire et d’énergie noire. Malheureusement, ces deux méthodes produisent des résultats différents, la première donnant une valeur de ~73 km/s par mégaparsec (Mpc) et la seconde donnant ~67 km/s Mpc.
Comme le Dr Reiss l’a expliqué à Universe Today par e-mail, « La constante de Hubble est le taux actuel auquel l’univers se dilate. La tension de Hubble est un écart dans la valeur que vous trouvez pour la constante de Hubble lorsque vous mesurez le taux d’expansion comme mieux que vous pouvez actuellement ou vous prédisez la valeur qu’il devrait avoir en fonction de la façon dont l’univers s’est présenté après le Big Bang couplé à un modèle de la façon dont l’univers devrait évoluer. C’est un problème car si ces deux façons ne s’accordent pas, cela nous fait pense que nous comprenons mal quelque chose à propos de l’univers. »
Mais comme l’ajoute Reiss, le mystère de la tension de Hubble n’est pas tant un problème qu’une opportunité pour une nouvelle découverte. Jusqu’à présent, de nombreux candidats ont été proposés pour expliquer l’écart, allant de l’existence d’un rayonnement supplémentaire, de la relativité générale modifiée (GR), de la dynamique newtonienne modifiée (MOND), des champs magnétiques primordiaux ou de l’existence de la matière noire et de l’énergie noire au cours de la univers primitif qui se comportait de différentes manières. Celles-ci peuvent généralement être divisées en deux catégories : les solutions des temps anciens (peu de temps après le Big Bang) et les solutions des temps tardifs (plus récemment dans l’histoire cosmique).
Les solutions tardives postulent que la densité d’énergie dans l’univers post-recombinaison – lorsque le plasma ionisé de l’univers primitif a donné naissance à des atomes neutres (environ 300 000 ans après le Big Bang) – est plus petite que dans le modèle LCMB standard. Les premières solutions, quant à elles, postulent que la densité d’énergie a été en quelque sorte augmentée avant que la recombinaison ne se produise, de sorte que «l’horizon sonore» (la distance de déplacement qu’une onde sonore peut parcourir) est diminué. Pour les besoins de leur étude, Kamionkowski et Kenan ont considéré Early Dark Energy (EDE) comme un candidat potentiel.
Comme Reiss l’a expliqué, la présence d’EDE aurait contribué à environ 10% de la densité d’énergie totale de l’univers avant que la recombinaison ne se produise. Après recombinaison, la densité d’énergie aurait diminué plus rapidement que les autres formes de rayonnement, laissant ainsi inchangée l’évolution tardive de l’univers. « Cela produirait une explosion d’expansion supplémentaire et inattendue dans le jeune univers qui, si nous ne le savions pas, entraînerait une sous-estimation de la valeur prédite par rapport à la valeur réelle », a déclaré Reiss.
Ce qui rend EDE préférable aux solutions tardives, c’est la façon dont ces dernières impliquent l’existence d’un fluide qui crée effectivement de l’énergie à partir de rien, ce qui viole la condition d’énergie forte prédite par GR. De plus, ces modèles sont difficiles à concilier avec les mesures de l’échelle de distance cosmique des variables céphéides et des supernovae de type Ia dans les galaxies proches (cibles à faible redshift) et des supernovae de type Ia dans les galaxies lointaines (high redshift). En bref, les solutions qui impliquent des modifications de la dynamique de l’univers primitif semblent être les plus cohérentes avec les contraintes cosmologiques établies.
Comme ils le notent, bien qu’il existe un nombre croissant de preuves suggérant l’existence d’EDE, nos mesures actuelles sur le CMB ne sont pas encore suffisamment précises et robustes pour distinguer les modèles EDE du modèle LCDM standard. Ce qu’il faut, pour aller de l’avant, ce sont des mesures locales améliorées qui aideront à affiner la constante de Hubble et à supprimer toute erreur systématique. Deuxièmement, des mesures plus précises de la polarisation du CMB sur des échelles angulaires plus petites sont nécessaires pour tester l’EDE et d’autres nouveaux modèles physiques.
Comme ils l’indiquent dans leur article, ces mesures sont déjà prises grâce aux observatoires Dark Energy Survey et aux observatoires de nouvelle génération, comme le télescope spatial James Webb (JWST) et la mission Euclid de l’ESA, « Heureusement, les prochaines étapes dans l’exploration du De plus, l’infrastructure d’observation requise est déjà en place, car elle coïncide en grande partie avec celle assemblée pour étudier (l’univers tardif) l’énergie noire et l’inflation.
« En fin de compte, nous devons continuer à explorer les incertitudes astrophysiques et de mesure. Comme nous l’avons appris à maintes reprises en cosmologie, il n’y a pas de solution unique – des conclusions solides ne sont atteintes qu’avec de multiples voies d’observation et un réseau étroitement tissé d’étalonnages, d’étalonnages croisés, et des contrôles de cohérence. »
Plus d’information:
Marc Kamionkowski et al, The Hubble Tension and Early Dark Energy, arXiv (2022). DOI : 10.48550/arxiv.2211.04492