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Au-delà d’Einstein : une solution à l’un des grands mystères de la cosmologie

Au-delà d'Einstein : une solution à l'un des grands mystères de la cosmologie

Une étude récente propose que la « tension de Hubble », une divergence dans les mesures du taux d’expansion de l’univers, puisse être résolue en utilisant la théorie alternative de la gravité MOND. Cette théorie suggère que les variations locales de densité de matière expliquent les écarts observés.

Une étude menée par les universités de Bonn et de St. Andrews propose une nouvelle explication possible de la tension de Hubble.

L’univers est en expansion. La vitesse à laquelle il le fait est décrite par la constante dite de Hubble-Lemaitre. Mais il existe un débat sur la taille réelle de cette constante : différentes méthodes de mesure fournissent des valeurs contradictoires. Cette soi-disant « tension de Hubble » pose un casse-tête aux cosmologistes. Des chercheurs des universités de Bonn et de St. Andrews proposent désormais une nouvelle solution : grâce à une théorie alternative de la gravité, l’écart entre les valeurs mesurées peut être facilement expliqué : la tension de Hubble disparaît. L’étude a maintenant été publiée dans le Avis mensuels de la Royal Astronomical Society (MNRAS).

Comprendre l’expansion de l’univers

L’expansion de l’univers éloigne les galaxies les unes des autres. La vitesse à laquelle ils le font est proportionnelle à la distance qui les sépare. Par exemple, si la galaxie A est deux fois plus éloignée de la Terre que la galaxie B, sa distance par rapport à nous augmente également deux fois plus vite. L’astronome américain Edwin Hubble fut l’un des premiers à reconnaître ce lien.

Afin de calculer la vitesse à laquelle deux galaxies s’éloignent l’une de l’autre, il est donc nécessaire de connaître leur distance. Cependant, cela nécessite également une constante par laquelle cette distance doit être multipliée. Il s’agit de la constante dite de Hubble-Lemaître, paramètre fondamental en cosmologie. Sa valeur peut être déterminée, par exemple, en observant les régions très lointaines de l’univers. Cela donne une vitesse de près de 244 000 kilomètres par heure par mégaparsec distance (un mégaparsec équivaut à un peu plus de trois millions d’années-lumière).

Répartition de la matière dans l'espace

(bleu ; les points jaunes représentent des galaxies individuelles). La Voie Lactée (verte) se trouve dans une zone peu riche en matière. Les galaxies dans la bulle se déplacent dans la direction des densités de matière les plus élevées (flèches rouges). L’univers semble donc s’étendre plus rapidement à l’intérieur de la bulle. Crédit : AG Kroupa/Université de Bonn

Écart dans les mesures

« Mais vous pouvez également observer des corps célestes beaucoup plus proches de nous, appelés supernovae de catégorie 1a, qui sont un certain type d’étoile explosive », explique le professeur Pavel Kroupa de l’Institut Helmholtz de radiothérapie et de physique nucléaire à l’Université de Bonn. Il est possible de déterminer très précisément la distance d’une supernova 1a à la Terre. Nous savons également que les objets brillants changent de couleur lorsqu’ils s’éloignent de nous – et plus ils se déplacent vite, plus le changement est fort. C’est semblable à une ambulance, dont la sirène sonne plus profondément à mesure qu’elle s’éloigne de nous.

Si nous calculons maintenant la vitesse des supernovae 1a à partir de leur changement de couleur et que nous la corrélons avec leur distance, nous arrivons à une valeur différente pour la constante de Hubble-Lemaitre, à savoir un peu moins de 264 000 kilomètres par heure par mégaparsec de distance. « L’univers semble donc s’étendre plus rapidement dans notre voisinage, c’est-à-dire jusqu’à une distance d’environ trois milliards d’années-lumière, que dans son ensemble », explique Kroupa. « Et cela ne devrait pas vraiment être le cas. »

Cependant, il y a eu récemment une observation qui pourrait expliquer cela. Selon cela, la Terre est située dans une région de l’espace où il y a relativement peu de matière, comparable à une bulle d’air dans un gâteau. La densité de matière est plus élevée autour de la bulle. Des forces gravitationnelles émanent de cette matière environnante, qui tirent les galaxies de la bulle vers les bords de la cavité. «C’est pourquoi ils s’éloignent de nous plus rapidement que prévu», explique le Dr Indranil Banik de l’Université St. Andrews. Les écarts pourraient donc simplement s’expliquer par une « sous-densité » locale.

En fait, un autre groupe de recherche a récemment mesuré la vitesse moyenne d’un grand nombre de galaxies situées à 600 millions d’années-lumière de nous. « Il a été constaté que ces galaxies s’éloignent de nous quatre fois plus vite que ne le permet le modèle standard de la cosmologie », explique Sergij Mazurenko du groupe de recherche de Kroupa, impliqué dans l’étude actuelle.

Bulle dans la pâte de l’univers

En effet, le modèle standard ne prévoit pas de telles sous-densités ou « bulles » – elles ne devraient pas exister réellement. Au lieu de cela, la matière devrait être répartie uniformément dans l’espace. Si tel était le cas, il serait cependant difficile d’expliquer quelles forces propulsent les galaxies à leur vitesse élevée.

« Le modèle standard est basé sur une théorie de la nature de la gravité proposée par Albert Einstein », explique Kroupa. « Cependant, les forces gravitationnelles peuvent se comporter différemment de ce à quoi Einstein s’attendait. » Les groupes de travail des universités de Bonn et de St. Andrews ont utilisé une théorie modifiée de la gravité dans une simulation informatique. Cette « dynamique newtonienne modifiée » (abréviation : MOND) a été proposée il y a quatre décennies par le physicien israélien, le professeur Mordehai Milgrom. Cette théorie est encore aujourd’hui considérée comme une théorie étrangère. « Cependant, dans nos calculs, MOND prédit avec précision l’existence de telles bulles », explique Kroupa.

Si l’on supposait que la gravité se comporte réellement selon les hypothèses de Milgrom, la tension de Hubble disparaîtrait : il n’y aurait en réalité qu’une seule constante pour l’expansion de l’univers, et les écarts observés seraient dus à des irrégularités dans la répartition de la matière.

Outre l’Université de Bonn, l’Université de Saint Andrews (Écosse) et l’Université Charles de Prague (République tchèque) ont également participé à l’étude. Les travaux ont été financés par le British Science and Technology Facilities Council.

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