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.
Crédits : rayons X : NASA/CXC/SAO ; infrarouge : (Herschel) ESA/NASA/Caltech, (Spitzer) NASA/JPL/Caltech, (WISE) NASA/JPL/Caltech ; infrarouge : NASA/ESA/CSA/STScI/Webb ERO Production Team ; traitement d'image : NASA/CXC/SAO/J. Major, CC BY
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.
Les débats sont houleux pour 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 affirment 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 découvrir.
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.
Elle permet d'expliquer avec une grande efficacité une multitude de données, aussi bien à grande qu'à petite échelle de l'univers. Elle 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, ce qui est peut-être le plus important, elle 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, lorsqu'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 a été découverte il y a une dizaine d'années. À l'époque, on pensait que les observations étaient peut-être biaisées. 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 (les étoiles de la branche de la pointe de la géante rouge (TRGB) et les 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 étonnamment proches de la valeur attendue par le modèle cosmologique, un autre groupe a affirmé qu'il constatait toujours des incohérences dans ses observations. Pendant ce temps, les mesures des Céphéides continuent de montrer une tension 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 à la fois précises et exactes.
La bonne nouvelle est que la tension de Hubble est en train de se développer rapidement. 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, appelées ondes gravitationnelles, pourront également nous aider à déterminer la constante.
Tout cela pourrait confirmer le modèle standard. Ou bien 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 mécaniques des planètes du système solaire ne peuvent être calculés de manière fiable que pendant moins d'un milliard d'années, après 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 », pose également problème, bien que pas à la même échelle. Dans ce cas, le modèle présente un problème de régularité, car il prédit que la matière dans l'univers devrait être plus regroupée que ce que nous observons en réalité, d'environ 10 %. Il existe plusieurs façons de mesurer le « regroupement » de la matière, par exemple en analysant les distorsions de la lumière provenant des galaxies, produites par la matière noire supposée intervenant le long de la ligne de visée.
Actuellement, il semble y avoir 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 manière 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 chaudes et rapides, cela pourrait ralentir la croissance de l’agglutination 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 massives que prévu. Certaines galaxies pourraient peser autant que la Voie lactée actuelle, 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, on a également avancé qu'une partie de la lumière attribuée aux étoiles de ces galaxies serait générée par de puissants trous noirs. Cela impliquerait que ces galaxies ne seraient peut-être pas si massives que ça.
Théories alternatives
Les idées théoriques pour corriger le modèle ne manquent pas, peut-être même trop nombreuses, de l'ordre de quelques centaines. C'est une tâche difficile pour tout théoricien qui souhaite les explorer toutes.
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 temps, comme le suggèrent certaines mesures récentes. Ou peut-être devons-nous ajouter davantage d’énergie noire au modèle pour accélérer l’expansion de l’univers aux premiers temps, ou au contraire, aux derniers temps. Modifier le comportement de la gravité à grande échelle de l’univers (différemment de ce qui est fait dans les modèles appelés Dynamique newtonienne modifiée, ou MOND) pourrait 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 cause les principes les plus élémentaires de la cosmologie. Par exemple, nous pourrions devoir abandonner l'hypothèse selon laquelle l'univers est « homogène et isotrope » à très grande échelle, ce qui signifie qu'il apparaît de la même façon dans toutes les directions pour tous les observateurs et qu'il n'existe pas de points spéciaux dans l'univers. D'autres proposent des changements à la théorie de la relativité générale.
Certains imaginent même un univers trompeur, qui participe avec nous à l’acte d’observation, ou qui change d’apparence selon que nous le regardons ou non – quelque chose qui, nous le savons, se produit 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 aucun doute de davantage de données. Au cours des prochaines années, une puissante combinaison d’observations provenant d’expériences telles que JWST, le Dark Energy Spectroscopic Instrument (DESI), l’observatoire Vera Rubin et Euclid, entre 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.
par Andreea Font, The Conversation
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