Les collisions de nombres cosmiques remettent en question notre meilleure théorie de l'univers | Magazine Quanta

Au début des années 2000, il semblait que les cosmologistes avaient résolu l’énigme la plus grande et la plus complexe de toutes : le fonctionnement de l’univers.

"Il y a eu ce moment incroyable où tout d'un coup, toutes les pièces de la cosmologie se sont assemblées", a déclaré J. Colin Hill, cosmologiste théorique à l'Université de Columbia.

Toutes les façons d’étudier l’univers – cartographier les galaxies et leurs plus grandes structures, détecter des explosions stellaires catastrophiques appelées supernovas, calculer les distances jusqu’à des étoiles variables, mesurer la lueur cosmique résiduelle de l’univers primitif – racontaient des histoires qui « semblaient se chevaucher », a déclaré Hill.

Le ciment qui maintenait les histoires ensemble avait été découvert quelques années plus tôt, en 1998 : l’énergie noire, une force mystérieuse qui, plutôt que de coller le cosmos, le fait d’une manière ou d’une autre s’étendre toujours plus rapidement au lieu de ralentir avec le temps. Lorsque les scientifiques ont inclus ce quelque chose de cosmique dans leurs modèles de l’univers, les théories et les observations se sont mêlées. Ils ont rédigé ce qui est maintenant connu comme le modèle standard de la cosmologie, appelé Lambda-CDM, dans lequel l'énergie noire représente près de 70 % de l'univers, tandis qu'une autre mystérieuse entité sombre – un type de masse invisible qui semble interagir uniquement avec la matière normale par gravité – représente environ 25 %. Les 5 % restants représentent tout ce que nous pouvons voir : les étoiles, les planètes et les galaxies que les astronomes étudient depuis des millénaires.

Mais ce moment de tranquillité n’était qu’un bref répit entre des périodes de lutte. À mesure que les astronomes effectuaient des observations plus précises de l’univers tout au long du temps cosmique, des fissures ont commencé à apparaître dans le modèle standard. Certains des premiers signes de problèmes provenaient des mesures de étoiles variables et les supernova dans une poignée de galaxies proches – des observations qui, comparées à la lueur cosmique résiduelle, suggèrent que notre univers obéit à des règles différentes de celles que nous pensions, et qu'un paramètre cosmologique crucial qui définit la vitesse à laquelle l'univers se sépare change lorsque vous mesurez-le avec différents critères.

Les cosmologues avaient un problème – quelque chose qu’ils appelaient une tension ou, dans leurs moments les plus dramatiques, une tension. crise.

Ces mesures discordantes ne sont devenues plus distinctes qu’au cours de la décennie qui a suivi l’apparition des premières fissures. Et cette divergence n’est pas le seul défi posé au modèle standard de la cosmologie. Les observations de galaxies suggèrent que la manière dont les structures cosmiques se sont regroupées au fil du temps peut différer de notre meilleure compréhension de la manière dont l’univers actuel aurait dû se développer à partir de graines enfouies dans le cosmos primitif. Et des décalages encore plus subtils proviennent d’études détaillées des premières lumières de l’univers.

D’autres incohérences abondent. "Il y a bien d'autres petits problèmes ailleurs", a déclaré Éléonore Di Valentino, cosmologiste théorique à l'Université de Sheffield. « C’est pourquoi c’est déroutant. Parce qu’il n’y a pas que ces gros problèmes.

Pour apaiser ces tensions, les cosmologues adoptent deux approches complémentaires. Premièrement, ils continuent à faire des observations plus précises du cosmos, dans l’espoir que de meilleures données révéleront des indices sur la manière de procéder. En outre, ils trouvent des moyens de modifier subtilement le modèle standard pour tenir compte des résultats inattendus. Mais ces solutions sont souvent artificielles, et si elles résolvent un problème, elles en aggravent souvent d’autres.

"La situation actuelle semble être un véritable désastre", a déclaré Hill. "Je ne sais pas quoi en penser."

Lumière déformée

Pour caractériser notre univers, les scientifiques utilisent une poignée de nombres, que les cosmologistes appellent paramètres. Les entités physiques auxquelles ces valeurs font référence sont tous les engrenages d’une machine cosmique géante, chaque élément étant connecté aux autres.

L’un de ces paramètres concerne la force avec laquelle la masse s’agglutine. Cela, à son tour, nous apprend quelque chose sur le fonctionnement de l’énergie noire, car sa poussée accélérée vers l’extérieur entre en conflit avec l’attraction gravitationnelle de la masse cosmique. Pour quantifier les grumeaux, les scientifiques utilisent une variable appelée S₈. Si la valeur est zéro, alors l'univers n'a ni variation ni structure, explique Sunao Sugiyama, cosmologiste observationnel à l'Université de Pennsylvanie. C’est comme une prairie plate et sans relief, sans même une fourmilière pour briser le paysage. Mais si S₈ est plus proche de 1, l’univers ressemble à une immense chaîne de montagnes déchiquetée, avec des amas massifs de matière dense séparés par des vallées de néant. Les observations faites par le vaisseau spatial Planck du tout premier univers – où les premiers germes de structure se sont installés – trouvent une valeur de 0.83.

Mais les observations de l’histoire cosmique récente ne concordent pas tout à fait.

Pour comparer les agglomérations de l’univers d’aujourd’hui avec les mesures du cosmos naissant, les chercheurs étudient la façon dont la matière est répartie sur de vastes étendues de ciel.

Prendre en compte les galaxies visibles est une chose. Mais cartographier le réseau invisible sur lequel reposent ces galaxies en est une autre. Pour ce faire, les cosmologistes examinent de minuscules distorsions dans la lumière des galaxies, car le chemin emprunté par la lumière lorsqu’elle se faufile à travers le cosmos est déformé lorsque la lumière est déviée par le poids gravitationnel de la matière invisible.

En étudiant ces distorsions (appelées lentilles gravitationnelles faibles), les chercheurs peuvent retracer la répartition de la matière noire le long des trajets empruntés par la lumière. Ils peuvent également estimer où se trouvent les galaxies. Avec ces deux informations en main, les astronomes créent des cartes 3D de la masse visible et invisible de l’univers, ce qui leur permet de mesurer comment le paysage de la structure cosmique change et se développe au fil du temps.

Au cours des dernières années, trois enquêtes à lentilles faibles ont cartographié de vastes zones du ciel : le Dark Energy Survey (DES), qui utilise un télescope dans le désert d'Atacama au Chili ; l'enquête Kilo-Degree (KIDS), également au Chili ; et plus récemment, une enquête sur cinq ans réalisée par l’Hyper Suprime-Cam (HSC) du télescope Subaru à Hawaï.

Il y a quelques années, les enquêtes DES et KIDS produisaient S₈ des valeurs inférieures à celles de Planck – ce qui implique des chaînes de montagnes plus petites et des sommets plus bas que ceux établis par la soupe cosmique primordiale. Mais ce n’étaient là que des indices alléchants de failles dans notre compréhension de la façon dont les structures cosmiques se développent et se conglomérent. Les cosmologistes avaient besoin de plus de données et attendaient avec impatience les résultats du Subaru HSC, qui ont été publiés. dans une série de cinq articles en Décembre.

L'équipe Subaru HSC a étudié des dizaines de millions de galaxies couvrant environ 416 degrés carrés du ciel, soit l'équivalent de 2,000 XNUMX pleines lunes. Dans leur coin de ciel, l'équipe a calculé un S₈ valeur de 0.78 – conforme aux résultats initiaux d’enquêtes antérieures et inférieure à la valeur mesurée à partir des observations du télescope Planck sur le rayonnement de l’univers primitif. L’équipe Subaru prend soin de dire que leurs mesures ne font que « suggérer » une tension parce qu’elles n’ont pas tout à fait atteint le niveau de signification statistique sur lequel s’appuient les scientifiques, bien qu’elles travaillent à ajouter trois années supplémentaires d’observations à leurs données.

"Si cela S₈ La tension est vraiment vraie, il y a quelque chose que nous ne comprenons pas encore », a déclaré Sugiyama, qui a dirigé l'une des analyses du Subaru HSC.

Les cosmologistes examinent désormais les détails des observations pour identifier les sources d’incertitude. Pour commencer, l’équipe Subaru a estimé les distances jusqu’à la plupart de leurs galaxies en fonction de leur couleur globale, ce qui pourrait conduire à des inexactitudes. "Si vous vous trompiez dans les estimations de distance [moyenne], vous vous tromperiez également sur certains paramètres cosmologiques qui vous tiennent à cœur", a déclaré un membre de l'équipe. Rachel Mandelbaum de l'Université Carnegie Mellon.

De plus, ces mesures ne sont pas faciles à réaliser, avec des complexités subtiles d’interprétation. Et la différence entre l’apparence déformée d’une galaxie et sa forme réelle – la clé pour identifier la masse invisible – est souvent très petite, a déclaré Diana Scognamiglio du Jet Propulsion Laboratory de la NASA. De plus, le flou dû à l’atmosphère terrestre peut légèrement modifier la forme d’une galaxie, ce qui est l’une des raisons pour lesquelles Scognamiglio mène une analyse de lentilles faibles à l’aide du télescope spatial James Webb de la NASA.

Ajoutant encore plus de confusion, les scientifiques des équipes DES et KIDS récemment réanalysé leurs mesures ensemble et a dérivé un S₈ valeur plus proche des résultats de Planck.

Donc pour l’instant, le tableau est brouillon. Et certains cosmologistes ne sont pas encore convaincus que les différentes S₈ les mesures sont en tension. "Je ne pense pas qu'il y ait là une allusion évidente à un échec catastrophique majeur", a déclaré Hill. Mais, a-t-il ajouté, « il n’est pas invraisemblable qu’il puisse se passer quelque chose d’intéressant ».

Où les fissures sont évidentes

Il y a une douzaine d’années, les scientifiques ont constaté les premiers signes de problèmes liés aux mesures d’un autre paramètre cosmologique. Mais il a fallu des années pour accumuler suffisamment de données afin de convaincre la plupart des cosmologistes qu’ils étaient confrontés à une véritable crise.

En bref, les mesures de la vitesse à laquelle l'univers s'étend aujourd'hui (connue sous le nom de constante de Hubble) ne correspondent pas à la valeur que vous obtenez en extrapolant à partir de l'univers primitif. L’énigme est connue sous le nom de tension de Hubble.

Pour calculer la constante de Hubble, les astronomes doivent savoir à quelle distance se trouvent les objets. Dans le cosmos voisin, les scientifiques mesurent les distances à l’aide d’étoiles appelées variables céphéides dont la luminosité change périodiquement. Il existe une relation bien connue entre la vitesse à laquelle une de ces étoiles passe de la plus brillante à la plus faible et la quantité d’énergie qu’elle rayonne. Cette relation, découverte au début du 20e siècle, permet aux astronomes de calculer la luminosité intrinsèque de l’étoile et, en la comparant à sa luminosité apparente, ils peuvent calculer sa distance.

Grâce à ces étoiles variables, les scientifiques peuvent mesurer les distances jusqu'à des galaxies situées jusqu'à environ 100 millions d'années-lumière de nous. Mais pour voir un peu plus loin et un peu plus loin dans le temps, ils utilisent un marqueur kilométrique plus lumineux : un type spécifique d'explosion stellaire appelé supernova de type Ia. Les astronomes peuvent également calculer la luminosité intrinsèque de ces « bougies standards », ce qui leur permet de mesurer les distances jusqu’à des galaxies situées à des milliards d’années-lumière.

Au cours des deux dernières décennies, ces observations ont aidé les astronomes à déterminer la vitesse d'expansion de l'univers proche : environ 73 kilomètres par seconde par mégaparsec, ce qui signifie qu'en regardant plus loin, pour chaque mégaparsec (ou 3.26 millions d'années-lumière ) de distance, l’espace s’envole 73 kilomètres par seconde plus vite.

Mais cette valeur entre en conflit avec celle dérivée d’une autre règle ancrée dans l’univers infantile.

Au tout début, l’univers était un plasma brûlant, une soupe de particules fondamentales et d’énergie. "C'était un véritable désastre", a déclaré Vivian Poulin-Détolle, cosmologue à l'Université de Montpellier.

Une fraction de seconde après le début de l’histoire cosmique, un événement, peut-être une période d’accélération extrême connue sous le nom d’inflation, a envoyé des secousses – des ondes de pression – à travers le plasma trouble.

Puis, alors que l’univers se refroidissait, la lumière emprisonnée dans le brouillard de plasma élémentaire s’est finalement libérée. Cette lumière – le fond cosmique des micro-ondes, ou CMB – révèle ces premières ondes de pression, tout comme la surface d'un lac gelé s'accroche aux crêtes de vagues figées dans le temps, a déclaré Poulin-Détolle.

Les cosmologistes ont mesuré la longueur d'onde la plus courante de ces ondes de pression gelées et l'ont utilisée pour calculer une valeur pour la constante de Hubble de 67.6 km/s/Mpc, avec une incertitude inférieure à 1 %.

Les valeurs particulièrement discordantes – environ 67 contre 73 – ont déclenché un débat enflammé en cosmologie qui n’est toujours pas résolu.

Les astronomes se tournent vers des marqueurs indépendants de milles cosmiques. Au cours des six dernières années, Wendy Freeman de l'Université de Chicago (qui travaille sur la constante de Hubble depuis un quart de siècle) s'est concentré sur un type d'étoile rouge ancienne qui vit généralement dans les parties extérieures des galaxies. Là-bas, moins d’étoiles brillantes se chevauchant et moins de poussière peuvent conduire à des mesures plus claires. En utilisant ces étoiles, Freedman et ses collègues ont mesuré un taux d’expansion d’environ 70 km/s/Mpc – « ce qui est en fait en assez bon accord avec les Céphéides », a-t-elle déclaré. "Mais il est également en assez bon accord avec le fond des micro-ondes."

Elle s’est maintenant tournée vers le puissant œil infrarouge de JWST pour aborder le problème. Avec ses collègues, elle mesure les distances de ces étoiles rouges géantes dans 11 galaxies proches tout en mesurant simultanément les distances des Céphéides et d'un type d'étoile de carbone pulsante dans ces mêmes galaxies. Ils prévoient de publier les résultats au printemps, mais déjà, dit-elle, « les données semblent vraiment spectaculaires ».

"Je suis très intéressé de voir ce qu'ils trouvent", a déclaré Hill, qui travaille à comprendre les modèles de l'univers. Ces nouvelles observations vont-elles creuser les fissures dans le modèle favori de la cosmologie ?

Un nouveau modèle ?

Alors que les observations continuent de limiter ces paramètres cosmologiques cruciaux, les scientifiques tentent d’adapter les données à leurs meilleurs modèles du fonctionnement de l’univers. Peut-être que des mesures plus précises résoudront leurs problèmes, ou peut-être que les tensions ne sont qu'un artefact de quelque chose de banal, comme les bizarreries des instruments utilisés.

Ou peut-être que les modèles sont erronés et que de nouvelles idées – une « nouvelle physique » – seront nécessaires.

"Soit nous n'avons pas été assez intelligents pour proposer un modèle qui s'adapte réellement à tout", a déclaré Hill, soit "il se peut, en fait, que plusieurs éléments de la nouvelle physique soient en jeu".

Quels pourraient-ils être ? Peut-être un nouveau champ de force fondamental, a déclaré Hill, ou des interactions entre les particules de matière noire que nous ne comprenons pas encore, ou de nouveaux ingrédients qui ne font pas encore partie de notre description de l’univers.

Certains nouveaux modèles physiques modifient l'énergie noire, ajoutant une poussée d'accélération cosmique dans les premiers instants de l'univers, avant que les électrons et les protons ne se superposent. "Si le taux d'expansion pouvait être augmenté d'une manière ou d'une autre, juste un petit peu pendant un petit moment dans l'univers primitif", a déclaré Marc Kamionkowski, cosmologiste à l’Université Johns Hopkins, « vous pouvez résoudre la tension de Hubble ».

Kamionkowski et l'un de ses étudiants diplômés ont proposé l'idée en 2016, et deux ans plus tard, ils a souligné quelques signatures qu'un télescope à fond micro-ondes cosmique à haute résolution devrait être capable de voir. Et le télescope cosmologique d’Atacama, perché sur une montagne au Chili, a effectivement détecté certains de ces signaux. Mais depuis, d’autres scientifiques ont montré que le modèle crée des problèmes avec d'autres mesures cosmiques.

Ce type de modèle affiné, dans lequel un type supplémentaire d’énergie sombre surgit pendant un moment puis disparaît, est trop compliqué pour expliquer ce qui se passe, a déclaré Dragan Huterer, cosmologiste théorique à l'Université du Michigan. Et les autres solutions proposées à la tension de Hubble ont tendance à correspondre encore moins bien aux observations. Elles sont « désespérément adaptées », dit-il, comme des histoires trop spécifiques pour être en phase avec l’idée de longue date selon laquelle les théories les plus simples ont tendance à l’emporter sur les théories complexes.

Les données à venir l’année prochaine pourraient être utiles. Tout d’abord, les résultats de l’équipe de Freedman examinant différentes sondes du taux d’expansion à proximité. Puis, en avril, les chercheurs dévoileront les premières données de la plus grande étude cosmologique du ciel à ce jour, l'instrument spectroscopique de l'énergie noire. Plus tard dans l’année, l’équipe du télescope de cosmologie d’Atacama – et les chercheurs réalisant une autre carte de fond primordiale à l’aide du télescope du pôle Sud – publieront probablement leurs résultats détaillés du fond de micro-ondes à une résolution plus élevée. Les observations sur un horizon plus lointain proviendront d’Euclid de l’Agence spatiale européenne, un télescope spatial lancé en juillet, et de l’observatoire Vera C. Rubin, une machine de cartographie du ciel en construction au Chili qui sera pleinement opérationnelle en 2025.

L’univers a peut-être 13.8 milliards d’années, mais notre quête pour le comprendre – et la place que nous y occupons – en est encore à ses balbutiements. Tout dans la cosmologie s’est mis en place il y a à peine 15 ans, dans une brève période de tranquillité qui s’est avérée être un mirage. Les fissures apparues il y a dix ans se sont largement ouvertes, créant des failles plus importantes dans le modèle préféré de la cosmologie.

"Maintenant", a déclaré Di Valentino, "tout a changé."

Note de l’éditeur : plusieurs scientifiques mentionnés dans cet article ont reçu un financement du Fondation Simons, qui finance également ce magazine indépendant sur le plan rédactionnel. Les décisions de financement de la Fondation Simons n'ont aucune influence sur notre couverture. Plus de détails sont disponible ici.