Guinguette Marais Poitevin

L’écart entre la vitesse à laquelle l’univers semble s’étendre et la vitesse à laquelle nous nous attendons à ce qu’il s’étende est l’une des anomalies les plus obstinément persistantes de la cosmologie.

Les cosmologistes fondent leur attente du taux d’expansion – un taux connu sous le nom de constante de Hubble – sur les mesures du rayonnement émis peu après le Big Bang. Ce rayonnement révèle les ingrédients précis de l’univers primitif. Les cosmologistes branchent les ingrédients dans leur modèle d’évolution cosmique et font fonctionner le modèle en avant pour voir à quelle vitesse l’espace devrait s’étendre aujourd’hui.

Pourtant, la prédiction ne tient pas : lorsque les cosmologistes observent des objets astronomiques tels que des étoiles pulsantes et des supernovas en explosion, ils voient un univers en expansion plus rapide, avec une constante de Hubble plus grande.

Cette divergence, connue sous le nom de tension de Hubble, a persisté même si toutes les mesures sont devenues plus précises. Certains astrophysiciens continuent de se demander si cette tension n’est pas simplement une erreur de mesure. Mais si la divergence est réelle, cela signifie qu’il manque quelque chose dans le modèle d’univers des cosmologistes.

Récemment, les théoriciens ont été occupés à imaginer de nouveaux ingrédients cosmiques qui, ajoutés au modèle standard, relanceraient le taux d’expansion prévu de l’univers, le faisant correspondre aux observations.

« Découvrir des anomalies est la façon fondamentale dont la science progresse », a déclaré Avi Loeb, cosmologiste à l’Université de Harvard et l’un des dizaines de chercheurs qui ont proposé des solutions à la tension de Hubble.

Voici quelques-unes des meilleures idées sur ce qui pourrait accélérer l’expansion cosmique.

Matière noire en décomposition

Le modèle standard de la cosmologie intègre toutes les formes familières de matière et de rayonnement et leurs interactions. Il inclut également les substances invisibles connues sous le nom d’énergie noire et de matière noire, qui constituent ensemble quelque 96 % du cosmos. Étant donné que l’on sait si peu de choses sur ces ingrédients sombres, ils constituent peut-être l’endroit le plus évident pour commencer à modifier le modèle standard. « C’est ce que vous avez à votre disposition pour modifier le taux d’expansion de l’univers », a déclaré Loeb.

Le modèle standard suppose que la matière noire est constituée de particules lentes qui n’interagissent pas avec la lumière. Mais que se passe-t-il si nous supposons également que la matière noire n’est pas constituée d’une seule substance ? Puisque de nombreux types de particules visibles existent – desarks, des électrons et ainsi de suite – il pourrait également y avoir de multiples particules sombres.

Dans un article publié l’été dernier dans Physical Review D, Loeb et deux collaborateurs ont considéré une forme de matière noire qui se désintègre en une particule plus légère et une particule sans masse connue sous le nom de photon sombre. Comme de plus en plus de matière noire se désintègre au fil du temps, ils ont raisonné, son attraction gravitationnelle aurait diminué, et donc l’expansion de l’univers se serait accélérée, soulageant la tension de Hubble.

Mais apporter de petits changements comme celui-ci au modèle cosmologique standard peut avoir des effets d’entraînement indésirables. « Il est très facile d’apporter toutes sortes de légères modifications », a déclaré Marc Kamionkowski, physicien théoricien à l’Université Johns Hopkins – mais il est difficile de le faire, a-t-il dit, sans ruiner l’adéquation parfaite du modèle avec une foule d’autres observations astronomiques.

En faisant varier le taux de désintégration et la quantité de matière noire qui est perdue à chaque désintégration, Loeb et ses collègues ont sélectionné un modèle de désintégration de la matière noire qui, selon eux, concorde toujours avec les autres observations astronomiques. « Si vous ajoutez cet ingrédient au modèle standard de la cosmologie, tout se tient », a déclaré Loeb.

Pour autant, il reste insatisfait de l’idée de matière noire en décomposition, en partie parce qu’elle introduit deux nouvelles quantités incertaines dans les équations.

« Dans ce cas, vous ajoutez deux paramètres libres afin de résoudre une divergence – et cela me met mal à l’aise », a-t-il déclaré, comparant la matière noire en décomposition aux épicycles du modèle d’univers centré sur la Terre de Ptolémée. « Je préférerais que deux divergences soient expliquées par un seul paramètre. »

Énergie noire inconstante

Depuis la découverte surprise en 1998 que l’expansion de l’univers s’accélère, les cosmologistes ont inclus une énergie noire répulsive dans leur modèle d’évolution cosmique. Mais sa nature reste un mystère. La possibilité la plus simple est que l’énergie noire soit la « constante cosmologique » – l’énergie de l’espace lui-même, avec une densité constante partout. Mais que faire si la quantité d’énergie noire dans l’univers n’est pas constante ?

Une dose supplémentaire d’énergie noire au début de l’univers, surnommée énergie noire précoce, pourrait réconcilier les valeurs contradictoires de la constante de Hubble. La pression vers l’extérieur de cette énergie noire précoce aurait accéléré l’expansion de l’univers. « La partie délicate est que cela ne peut pas vraiment rester ; cela doit disparaître rapidement », a déclaré Lisa Randall, physicienne des particules et cosmologiste à Harvard.

Randall et ses collaborateurs ont conçu ce qu’ils appellent des solutions « rock ‘n’ roll » à la tension de Hubble dans un article soumis au Journal of High Energy Physics. Chacun de ces ajouts au modèle standard prend une forme mathématique différente : dans certains cas, la densité de l’énergie sombre oscille, ou bascule, tandis que dans d’autres, elle descend d’une valeur élevée à zéro. Mais dans tous les cas, l’énergie sombre primitive doit disparaître après quelques centaines de milliers d’années, au cours d’une époque connue sous le nom de recombinaison. « L’histoire de l’univers depuis la recombinaison est assez cohérente avec le modèle standard », a déclaré M. Kamionkowski, coauteur d’un article sur l’énergie sombre précoce publié dans Physical Review Letters en juin dernier. « Donc, toute activité singulière que nous faisons dans l’univers primitif doit se désintégrer. »

A côté de l’énergie noire primitive, les théoriciens ont avancé d’autres formes exotiques d’énergie noire – comme la quintessence et l’énergie noire fantôme – qui évoluent également avec le vieillissement de l’univers. Si ces extensions du modèle standard soulagent la tension de Hubble, elles sont considérées par de nombreux cosmologistes comme des ajouts mathématiques opportuns, finement accordés, qui n’ont pas de justification claire.

Mais Kamionkowski affirme que les nouvelles formes d’énergie noire semblent moins artificielles lorsqu’elles sont considérées parallèlement à d’autres périodes d’expansion dans l’histoire de l’univers. Par exemple, la plupart des cosmologistes pensent que l’espace a connu une expansion exponentielle au début du Big Bang, au cours d’une période connue sous le nom d’inflation, qui était alimentée par un type d’énergie noire différent de celui qui existe aujourd’hui. On pense que de telles périodes dominées par l’énergie noire « se produisent occasionnellement au cours de l’histoire de l’univers », a déclaré Kamionkowski.

Gravité modifiée

Dans le modèle standard de la cosmologie, toutes les formes connues de matière et de rayonnement, plus la matière noire et l’énergie noire, sont introduites dans la théorie de la gravité d’Albert Einstein, et les équations d’Einstein indiquent comment l’espace se dilate en conséquence. Cela signifie que, outre la modification ou l’ajout d’ingrédients cosmiques au modèle, il existe un autre moyen pour les physiciens de le concilier avec le taux d’expansion cosmique observé :  » Vous pouvez imaginer que les équations d’Einstein ne sont pas correctes « , a déclaré Loeb.

William Barker, doctorant à l’Université de Cambridge, recherchait une théorie de la  » gravité modifiée  » l’été dernier lorsqu’il est tombé sur un moyen de résoudre la tension de Hubble. Barker a trouvé un modèle de gravité modifiée qui était  » capable de se comporter comme s’il y avait un rayonnement supplémentaire dans l’univers primitif « , a-t-il déclaré ; la pression de rayonnement aurait augmenté le taux d’expansion cosmique.

Mais dans une préimpression soumise à Physical Review D en mars, Barker et trois coauteurs reconnaissent que beaucoup plus d’analyses sont nécessaires pour voir si le modèle peut décrire non seulement comment l’univers s’étend, mais aussi comment des structures comme les galaxies et les amas ont évolué.

Avec les télescopes contemporains offrant une surabondance de données d’une précision impressionnante sur ces structures, concevoir une théorie qui correspond à toutes les observations n’est pas une mince affaire. « Beaucoup des théories de gravité modifiée ne sont pas des théories complètes, et lorsque vous essayez de faire un calcul détaillé avec des ensembles de données sophistiqués … il est difficile de le faire de manière robuste », a déclaré Kamionkowski.

Wait and See

« Nous savons tous qu’ils sont ad hoc », a déclaré Randall au sujet des propositions jusqu’à présent. « Ce qui est étonnant, c’est que même avec ces ajouts ad hoc, il est encore très difficile de s’accommoder de la divergence. »

Même avec cette liberté supplémentaire, la plupart des modèles non standard ne font que réduire la tension de Hubble au lieu de l’éliminer. Ils prédisent un taux d’expansion cosmique plus rapide que le modèle standard, mais ce n’est toujours pas assez rapide pour correspondre aux observations de supernovas et d’autres objets astronomiques.

Dans les années à venir, le télescope Euclid et d’autres vont cartographier méticuleusement la façon dont la gravité et l’énergie sombre ont façonné l’évolution cosmique. En attendant, les ondes gravitationnelles émises par des étoiles à neutrons en collision offrent une nouvelle façon de mesurer la constante de Hubble. Les nouvelles données écarteront certaines de ces nouvelles solutions à la tension de Hubble, mais de nouvelles fissures dans le modèle standard pourraient apparaître. Pour l’instant, de nombreux cosmologistes répugnent à compliquer le modèle alors qu’il fonctionne si bien. « Il y a un peu un sentiment d’attente, à moins que quelqu’un ait une très bonne idée », a déclaré Randall.

Elle a ajouté que même si la tension de Hubble s’avère n’être qu’une accumulation d’erreurs, cette recherche d’une nouvelle physique pourrait ne pas être vaine.

« Des résultats intéressants proviennent parfois de choses qui finissent par disparaître », a déclaré Randall. « Cela vous oblige à réfléchir : Que savons-nous ? Et jusqu’à quel point pouvons-nous changer les choses ? « 

Histoire originale reproduite avec la permission de Quanta Magazine, une publication indépendante sur le plan éditorial de la Simons Foundation dont la mission est d’améliorer la compréhension de la science par le public en couvrant les développements et les tendances de la recherche en mathématiques et en sciences physiques et de la vie.

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