Les deux méthodes permettant de mesurer à quelle vitesse l'Univers s'étend donnent des mesures incompatibles. Des physiciens estiment que ce problème serait résolu si l'on faisait intervenir « un nouveau type d'énergie extra-sombre ».

C’est un vieux problème en astrophysique : à quelle vitesse l’Univers s’étend-il ? Les valeurs mesurées avec des méthodes différentes donnent des mesures incompatibles. Les théories foisonnent pour tenter d’expliquer cette situation. Des physiciens ont avancé une nouvelle idée dans une étude, publiée dans Physical Review D le 19 février 2021, présentée par l’université du Danemark du Sud le 2 mars.

D’après eux, le mystère pourrait être résolu si l’on convoquait l’existence d’un nouveau type d’énergie noire dans l’Univers. En l’incluant dans les calculs de l’expansion de l’Univers, les auteurs estiment que les résultats seraient davantage similaires. Pour rappel, l’énergie noire est une composante hypothétique de l’Univers, inventée en 1998 pour tenter d’expliquer l’accélération de l’expansion de l’Univers.

Un schéma pour comprendre l’expansion de l’Univers : dans ce gâteau qui gonfle en cuisant, les pépites sont des galaxies. // Source : Wikimedia/CC/Lacosmo, Raude (image modifiée)

Les galaxies donnent l’impression de s’écarter les unes des autres au cours du temps. En réalité, ce n’est pas le cas, c’est l’espace lui-même qui se dilate : c’est ce phénomène que l’on nomme l’expansion de l’Univers.

« Une crise pour le modèle standard de la cosmologie » : quel est le problème ?

« Des mesures récentes de l’expansion de l’Univers ont conduit à une crise apparente pour le modèle standard de la cosmologie », rappellent les auteurs de ce texte (accessible en entier dans sa version prépubliée sur arXiv). Quel est le problème exactement ? Pour étudier le phénomène de l’expansion de l’Univers, les scientifiques cherchent à déterminer la constante de Hubble (elle donne le taux d’expansion de l’Univers, à un instant donné). Si l’on connaît la constante de Hubble, on a un indicateur de l’âge global de l’Univers, à un instant donné depuis le Big Bang. Pour mesurer cette constante, deux options sont possibles :

  • On peut la mesurer de façon locale, en utilisant des supernovæ comme des « chandelles standard » (des objets astronomiques dont la luminosité est connue),
  • Ou en utilisant les propriétés de l’Univers jeune, étudiées à l’aide du fond diffus cosmologique. Ce rayonnement fossile est la plus ancienne lumière encore présente dans l’Univers.

« Or, le problème est que les mesures, directes et indirectes, ne concordent pas », écrivent les scientifiques. Pour l’instant, la question n’est pas tranchée. Le modèle n’est-il pas assez fin ? Y a-t-il quelque chose de faux dans les méthodes de mesures ? Ou reste-t-il quelque chose dans l’Univers à découvrir et qui n’aurait pas encore été pris en considération ? Pour les auteurs de l’étude, ce pourrait être cette possibilité. « Dans notre modèle, nous trouvons que s’il y a un nouveau type d’énergie extra-sombre dans l’univers primitif, cela expliquerait à la fois le rayonnement de fond et les mesures de supernova simultanément et sans contradiction », affirme Martin S. Sloth, professeur de cosmologie, dans le communiqué de l’université du Danemark du Sud.

Une « phase différente » de l’énergie noire

Pour ces scientifiques, lorsque l’Univers était encore jeune, l’énergie noire y existait dans une « phase différente », décrit Martin S. Sloth : « Vous pouvez comparer cela à lorsque l’eau est refroidie et qu’elle subit une phase de transition vers la glace avec une densité plus faible ». De façon comparable, l’énergie sombre intégrée dans le modèle des chercheurs connaitrait une phase où la densité d’énergie est moindre, ce qui changerait l’effet de cette énergie sombre sur l’expansion de l’Univers.

À l’échelle du cosmos, les scientifiques décrivent cette phase comme un processus plutôt violent. « Une telle phase de transition aurait pour effet d’abaisser la valeur initialement élevée de la constante cosmologique dans l’Univers primitif jusqu’à la valeur d’aujourd’hui, déduite de la mesure de HO  » (la constante de Hubble), écrivent les chercheurs.

Évidemment, tout cela reste une théorie (l’existence même de l’énergie noire restant à confirmer), mais les chercheurs s’attendent « à ce que le modèle s’adapte encore mieux aux données, lorsque les hypothèses simplificatrices formulées dans le présent article seront abandonnées dans les travaux futurs ».

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