Les astronomes ont découvert que l’expansion de l’univers s’accélère, probablement à cause de l’énergie sombre, comme décrit dans le modèle Lambda CDM. Cependant, les incohérences dans les mesures du taux d’expansion, connues sous le nom de tension de Hubble, incitent à rechercher de nouvelles théories et à modifier les modèles existants.
L’univers connaît une expansion accélérée, peut-être sous l’effet de l’énergie noire. Cependant, la tension de Hubble, une divergence dans les mesures du taux d’expansion, remet en question les modèles actuels et stimule la recherche continue d’explications.
Les astronomes savent depuis des décennies que l’univers est en expansion. Lorsqu’ils utilisent des télescopes pour observer des galaxies lointaines, ils constatent que ces galaxies s’éloignent de la Terre.
Pour les astronomes, la longueur d’onde de la lumière émise par une galaxie est d’autant plus longue que la galaxie s’éloigne de nous rapidement. Plus la galaxie est éloignée, plus sa lumière s’est déplacée vers les longueurs d’onde les plus longues du côté rouge du spectre – donc plus le « redshift » est élevé.
Temps et distance dans l’univers
Parce que la vitesse de la lumière est limitée, rapide, mais pas infiniment rapide, voir quelque chose de loin signifie que nous regardons la chose à quoi elle ressemblait dans le passé. Avec des galaxies lointaines à redshift élevé, nous observons la galaxie d’une époque où l’univers était dans un état plus jeune. Ainsi, un « redshift élevé » correspond aux premiers temps de l’univers, et un « faible redshift » correspond aux derniers temps de l’univers.
L’image en champ profond du télescope spatial James Webb montre un univers rempli de galaxies étincelantes. Il s’agit de l’image infrarouge la plus profonde et la plus nette de l’Univers lointain à ce jour. Connue sous le nom de premier champ profond de Webb, cette image de l’amas de galaxies SMACS 0723 regorge de détails. Crédit : NASA, ESA, CSA et STScI
Mais en étudiant ces distances, les astronomes ont appris que l’univers ne se contente pas de s’étendre : son taux d’expansion s’accélère. Et ce taux d’expansion est encore plus rapide que ce que prédit la théorie principale, laissant les cosmologistes comme moi perplexes et à la recherche de nouvelles explications.
Expansion accélérée et énergie noire
Les scientifiques appellent la source de cette accélération énergie sombre. Nous ne savons pas vraiment ce qui motive l’énergie noire ni comment elle fonctionne, mais nous pensons que son comportement pourrait s’expliquer par une constante cosmologique, qui est une propriété de l’espace-temps qui contribue à l’expansion de l’univers.
Albert Einstein a initialement proposé cette constante – il l’a marquée d’un lambda dans sa théorie de la relativité générale. Avec une constante cosmologique, à mesure que l’univers s’étend, la densité énergétique de la constante cosmologique reste la même.
Imaginez une boîte pleine de particules. Si le volume de la boîte augmente, la densité des particules diminuerait à mesure qu’elles s’étaleraient pour occuper tout l’espace de la boîte. Imaginez maintenant la même boîte, mais à mesure que le volume augmente, la densité des particules reste la même.
Cela ne semble pas intuitif, n’est-ce pas ? Le fait que la densité d’énergie de la constante cosmologique ne diminue pas à mesure que l’univers s’étend est bien sûr très étrange, mais cette propriété contribue à expliquer l’accélération de l’univers.
Lambda CDM : le modèle standard de la cosmologie
À l’heure actuelle, la théorie principale, ou modèle standard, de la cosmologie est appelée « Lambda CDM ». Lambda désigne la constante cosmologique décrivant l’énergie noire, et CDM signifie matière noire froide. Ce modèle décrit à la fois l’accélération de l’univers à ses derniers stades ainsi que le taux d’expansion à ses débuts.
Plus précisément, le MDP Lambda explique les observations du fond diffus cosmologique, qui est la rémanence du rayonnement micro-onde datant de l’époque où l’univers était dans un « état chaud et dense », environ 300 000 ans après la création de l’univers. Big Bang. Les observations réalisées à l’aide du satellite Planck, qui mesure le fond diffus cosmologique, ont conduit les scientifiques à créer le modèle Lambda CDM.
L’ajustement du modèle Lambda CDM au fond diffus cosmologique permet aux physiciens de prédire la valeur de la constante de Hubble, qui n’est pas réellement une constante mais une mesure décrivant le taux d’expansion actuel de l’univers.
Mais le modèle Lambda CDM n’est pas parfait. Le taux d’expansion que les scientifiques ont calculé en mesurant les distances aux galaxies, et le taux d’expansion tel que décrit dans Lambda CDM à l’aide d’observations du fond diffus cosmologique, ne concordent pas. Les astrophysiciens appellent ce désaccord la tension de Hubble.
L’univers s’étend plus rapidement que ne le prédisent les modèles populaires en cosmologie. Crédit : Équipe scientifique NASA/WMAP
La tension de Hubble
Au cours des dernières années, j’ai recherché des moyens d’expliquer cette tension de Hubble. La tension pourrait indiquer que le modèle Lambda CDM est incomplet et que les physiciens devraient modifier leur modèle, ou encore qu’il est temps pour les chercheurs de proposer de nouvelles idées sur le fonctionnement de l’univers. Et les nouvelles idées sont toujours les choses les plus excitantes pour un physicien.
Une façon d’expliquer la tension de Hubble consiste à modifier le modèle Lambda CDM en modifiant le taux d’expansion à un faible redshift, à des époques tardives dans l’univers. Modifier le modèle de cette manière peut aider les physiciens à prédire quel type de phénomène physique pourrait être à l’origine de la tension de Hubble.
Par exemple, peut-être que l’énergie noire n’est pas une constante cosmologique mais plutôt le résultat de la gravité qui fonctionne de nouvelles manières. Si tel est le cas, l’énergie noire évoluerait à mesure que l’univers s’étend – et le fond cosmique des micro-ondes, qui montre à quoi ressemblait l’univers quelques années seulement après sa création, aurait une prédiction différente pour la constante de Hubble.
Mais les dernières recherches de mon équipe ont montré que les physiciens ne peuvent pas expliquer la tension de Hubble simplement en modifiant le taux d’expansion dans l’Univers tardif – toute cette classe de solutions est insuffisante.
Explorer de nouveaux modèles
Pour étudier quels types de solutions pourraient expliquer la tension de Hubble, nous avons développé des outils statistiques qui nous ont permis de tester la viabilité de l’ensemble de la classe de modèles modifiant le taux d’expansion dans l’Univers tardif. Ces outils statistiques sont très flexibles et nous les avons utilisés pour faire correspondre ou imiter différents modèles susceptibles de correspondre aux observations du taux d’expansion de l’univers et d’offrir une solution à la tension de Hubble.
Les modèles que nous avons testés incluent des modèles évolutifs d’énergie noire, dans lesquels l’énergie noire agit différemment à différents moments de l’univers. Nous avons également testé des modèles d’interaction énergie noire-matière noire, dans lesquels l’énergie noire interagit avec la matière noire, et des modèles de gravité modifiés, dans lesquels la gravité agit différemment à différents moments de l’univers.
Mais aucun de ces éléments ne pouvait expliquer pleinement la tension de Hubble. Ces résultats suggèrent que les physiciens devraient étudier l’univers primitif pour comprendre la source de la tension.
Écrit par Ryan Keeley, chercheur postdoctoral en physique, Université de Californie, Merced.
Adapté d’un article initialement publié dans The Conversation.
