Depuis plus d'un siècle, les scientifiques savent que l'univers est en expansion depuis le big bang , l'événement primordial qui a tout déclenché il y a environ des milliards d'années .
Mais jusqu'à présent, ils n'ont pas été en mesure de résoudre un problème délicat. À quelle vitesse se développe-t-il ? C'est parce qu'il y a une disparité entre le taux estimé basé sur le rayonnement laissé par le big bang, connu sous le nom de fond diffus cosmologique, ou CMB dans le jargon scientifique, et le rythme nettement plus rapide basé sur les observations de supernovae. Le taux d'expansion de l'univers est connu sous le nom de constante de Hubble, de sorte que la disparité est appelée "tension de Hubble".
Les scientifiques pensent que l'expansion continue de l'univers est due à une force appelée énergie noire, qui semble avoir commencé à inverser la décélération de l' univers 7 ou 8 milliards d'années après le big bang.
Qu'est-ce que l'énergie noire ?
« L'énergie noire est aujourd'hui une source d'énergie hypothétique dans l'univers qui, selon notre meilleure compréhension de l'univers, représente environ 70 % de l'énergie totale de l'univers », explique Glenn Starkman , éminent professeur d'université et coprésident de la département de physique de la Case Western Reserve University.
"La principale preuve de son existence est l'expansion accélérée de l'univers qui semble s'être poursuivie au cours des derniers milliards d'années", explique Starkman. "Pour conduire une telle expansion, il faut une source d'énergie qui ne se dilue pas (ou se dilue très peu) à mesure que l'univers s'étend. Cela disqualifie la plupart des sources d'énergie - par exemple, la matière ordinaire ou la matière noire, qui deviennent toutes deux moins dense à mesure que l'univers s'agrandit. Le modèle le plus simple de l'énergie noire est qu'il s'agit de la densité d'énergie immuable associée à l'espace vide. En tant que tel, si l'espace s'agrandit, la densité de l'énergie noire resterait constante.
Mais, il y a beaucoup de choses qui sont inexpliquées à propos de l'énergie noire, y compris pourquoi elle n'a pas existé depuis le début. Et même l'inclusion de l'énergie noire dans le modèle standard ne résout pas la disparité entre les deux mesures de l'expansion cosmique.
Et l'énergie noire précoce ?
Mais deux nouvelles études, qui n'ont pas encore été publiées, toutes deux basées sur des données recueillies entre 2013 et 2016 par le télescope de cosmologie d'Atacama (ACT) , peuvent aider à indiquer une solution possible à un problème. Les chercheurs pensent avoir trouvé des traces d'un type d'énergie noire "précoce" qui existait au cours des 300 000 premières années après le big bang. Ce récent article dans Nature de Davide Castelvecchi a d' abord rendu public les deux articles, l' un de l'équipe ACT et l' autre d'un groupe indépendant comprenant Vivian Poulin , astrophysicienne à l'Université de Montpellier en France, et ses collègues Tristian L. Smith et Alexa Bartlett du Collège de Swarthmore.
L'idée d' une énergie sombre précoce a été proposée il y a quelques années par Poulin, alors boursier postdoctoral à l'Université Johns Hopkins, Smith et ses collègues, comme moyen de résoudre la question.
"L'énergie noire précoce est une proposition pour une autre forme d'énergie noire, c'est-à-dire qui n'est pas manifestement liée à l'énergie noire provoquant l'expansion accélérée d'aujourd'hui", explique Starkman. EDE "aurait joué un rôle important dans l'univers il y a longtemps, lorsque l'univers était environ 10 000 fois plus petit et plus chaud qu'il ne l'est actuellement". C'est un concept, dit-il, qui "a été conçu pour résoudre certains mystérieux désaccords sur l'histoire du taux d'expansion de l'univers".
Comme l'explique l'article de Nature, l'énergie noire précoce n'aurait pas été assez puissante pour provoquer l'expansion accélérée de l'univers des milliards d'années plus tard. Au lieu de cela, il l'aurait indirectement influencé, en provoquant un refroidissement plus rapide du mélange de particules élémentaires, ou plasma , formé peu après le big bang. Cela, à son tour, affecterait la façon dont le fond diffus cosmologique devrait être mesuré - en particulier les mesures de l'âge et du taux d'expansion de l'univers en fonction de la distance que les ondes sonores pourraient parcourir dans le plasma avant qu'il ne se refroidisse en gaz - et entraînerait un taux d'expansion plus proche de ce que les astronomes calculent sur la base d'objets célestes.
L'énergie sombre précoce est une solution théorique délicate, mais "c'est le seul modèle que nous pouvons utiliser", comme l'a expliqué à Nature le physicien théoricien de l'Université Johns Hopkins Mark Kamionkowski , l'un des auteurs de l'article sur l'énergie sombre précoce de 2018.
La conclusion n'est pas claire
Les deux études pourraient aider à renforcer les arguments en faveur de l'énergie sombre précoce, mais l'un des chercheurs impliqués dit qu'il n'est toujours pas entièrement convaincu et prévient que davantage de travail est nécessaire pour parvenir à une conclusion claire.
« J'ai été sceptique quant aux premiers modèles d'énergie noire en raison des problèmes auxquels ils sont confrontés pour faire correspondre les mesures de haute précision de la distribution à grande échelle des galaxies et de la matière dans l'univers (« structure à grande échelle », ou LSS) », Columbia University professeur adjoint de physique J. Colin Hill , co-auteur de l'étude de l'équipe ACT, note dans un e-mail. (Le questionnement de Hill sur le concept se reflète dans cet article qu'il a co-écrit en 2020, ainsi que dans un article ultérieur , et il mentionne également un autre article d'autres chercheurs qui soulève des complications similaires.)
"Le point à retenir des trois articles liés ci-dessus est que les premiers modèles d'énergie noire qui correspondent aux données CMB et aux données de Riess, et al., H0 donnent des prédictions pour LSS qui ne correspondent pas aux données de ces enquêtes", écrit Hill dans le e-mail. "Ainsi, nous avons conclu qu'un modèle théorique différent est probablement nécessaire, ou au moins une modification du premier scénario d'énergie noire."
Dans la nouvelle étude que les collègues de Hill et ACT viennent de publier, ils n'ont pas pris en compte les données LSS dans l'analyse et se sont plutôt concentrés presque exclusivement sur les données CMB. "L'objectif était vraiment de voir si les données de Planck et d'ACT CMB donnaient des résultats cohérents dans le contexte de l'énergie noire précoce. Nous avons constaté qu'elles donnent des résultats quelque peu différents, ce qui est une énigme majeure que nous travaillons maintenant dur pour essayer de comprendre. perspective, le problème LSS pour le premier scénario d'énergie noire reste non résolu."
"De plus, les données de Planck à elles seules (qui restent l'ensemble de données le plus précis en cosmologie) ne montrent pas de préférence pour l'énergie sombre précoce", explique Hill. "Ainsi, malgré les indices que nous avons vus dans les données ACT pour l'énergie sombre précoce, je reste prudent quant à savoir si ce modèle pourrait vraiment être l'histoire finale. Nous aurons besoin de plus de données pour le savoir."
Si elle avait existé, l'énergie noire primitive aurait été similaire à la force qui serait à l'origine du taux d'expansion actuel de l'univers. Mais cela nécessiterait encore une refonte importante du modèle théorique.
"La principale différence est que cette énergie sombre précoce ne doit jouer un rôle que pendant une brève période dans l'histoire cosmique, puis doit" disparaître "", explique Hill. "Pour y parvenir, nous construisons des modèles de physique des particules d'un nouveau champ (techniquement, un champ de type axion) qui agit pour accélérer brièvement l'expansion de l'univers avant la recombinaison, mais s'estompe ensuite rapidement et devient hors de propos."
"En revanche, l'image dominante actuelle de l'énergie noire standard est qu'il s'agit simplement d'une constante cosmologique, probablement issue de l'énergie du vide", poursuit Hill. "Cette forme d'énergie ne change pas avec le temps. Il est cependant possible que l'énergie noire standard soit due à un nouveau champ fondamental que nous n'avons pas encore compris. Dans ce cas, il se peut bien qu'elle évolue dans le temps, et elle pourrait donc présenter une certaine similitude avec le premier modèle d'énergie noire discuté ci-dessus."
"Encore une fois, nous aurons besoin de plus de données pour sonder ces questions plus précisément et, espérons-le, trouver des réponses au cours de la prochaine décennie", a déclaré Hill. « Heureusement, de nombreuses expériences puissantes seront bientôt en ligne. » Il mentionne des installations telles que l' Observatoire Simons , qui étudiera le CMB, ainsi que l' Observatoire Rubin et les télescopes spatiaux Euclid et Roman , qui recueilleront de nouvelles informations sur le LSS. « Cela devrait être très excitant de voir ce que nous trouvons », dit-il.
Voici une vidéo YouTube dans laquelle Hill discute de l'énergie sombre précoce :
Starkman dit qu'il est important d'être prudent avec de telles affirmations "extraordinaires", à moins que les preuves ne soient claires et convaincantes. Comme il le fait remarquer, il existe également des preuves contre EDE. "Les résultats actuels montrent des tensions croissantes entre deux ensembles de données expérimentales de l'observation du fond diffus cosmologique — du satellite Planck de l'Agence spatiale européennequi a volé au début de la dernière décennie, et depuis l'actuel télescope cosmologique d'Atacama. Le premier ne semble pas soutenir l'idée d'une énergie sombre précoce, alors que le second le fait maintenant. De telles tensions entre les expériences sont courantes et frustrantes. Il est tentant de dire que plus de données d'ACT régleront la question, mais simplement surcharger les données Planck complétées avec plus de données ACT n'expliquera pas pourquoi les données de Planck ne favorisent pas l'EDE. La tension semble susceptible de nécessiter une compréhension révisée de l'une de ces expériences afin de fournir un cas clair d'une manière ou d'une autre."
Wendy Freedman , professeur d'astronomie et d'astrophysique à l'Université de Chicago qui a travaillé sur la mesure de l'expansion cosmique, pense qu'il est important de poursuivre divers modèles alternatifs.
Le modèle Lambda Cold Dark Matter (LCDM)
"Nous avons actuellement un modèle standard de cosmologie, le modèle dit de matière noire froide lambda (LCDM)" , explique Freedman, l'auteur de cet article , publié le 17 septembre 2021, sur la constante de Hubble dans The Astrophysical Journal, dans un email. "Dans ce modèle, environ 1/3 de la densité globale de matière + énergie est due à la matière (dont la plupart est de la matière noire) et 2/3 est due à une composante de l'énergie noire."
"Cependant, à l'heure actuelle, nous ne connaissons pas la nature de la matière noire ou de l'énergie noire", poursuit Freedman. "Pourtant, le LCDM s'adapte extrêmement bien à un très large éventail d'expériences et d'observations différentes. Compte tenu de l'état de nos connaissances, il est clairement important de tester davantage le modèle standard. L'écart apparent actuel entre la valeur de la constante de Hubble déduite du CMB mesures et certaines mesures locales pourraient signaler une nouvelle physique. C'est pourquoi je dis qu'il est important d'étudier d'autres modèles au-delà du MDP lambda. »
Mais Freedman ajoute une mise en garde importante : « Alternativement, il peut y avoir une erreur systématique encore inconnue qui est responsable de l'écart apparent. Il est donc également important de réduire les incertitudes dans les mesures actuelles de la constante de Hubble. »
Maintenant c'est intéressant
S'il s'avère que l' énergie noire primitive a existé, l'intégrer dans l'estimation de l'âge de l'univers ferait en sorte que le cosmos serait plus jeune de 1,4 milliard d'années que l'estimation actuelle de 13,8 milliards d'années.
