Dans les années 1920, les astronomes ont appris que l’Univers était en expansion comme le prévoyait la théorie de la relativité générale d’Einstein. Cela a conduit à un débat parmi les astrophysiciens entre ceux qui croyaient que l’Univers avait commencé par un Big Bang et ceux qui croyaient que l’Univers existait dans un état stable. Dans les années 1960, les premières mesures du fond diffus cosmologique (CMB) ont indiqué que le premier était le scénario le plus probable. Et dans les années 1990, les champs profonds de Hubble ont fourni les images les plus profondes de l’Univers jamais prises, révélant les galaxies telles qu’elles sont apparues quelques centaines de millions d’années seulement après le Big Bang.
Au fil du temps, ces découvertes ont conduit à une réalisation étonnante : la vitesse à laquelle l’Univers s’étend (c’est-à-dire la constante de Hubble) n’a pas été constante dans le temps ! Cela a conduit à la théorie de l’énergie noire, une force invisible qui contrecarre la gravité et accélère cette expansion. Dans une série d’articles, une équipe internationale de chercheurs dirigée par l’Université d’Hawaï a rapporté que les trous noirs dans les galaxies anciennes et dormantes se développaient plus que prévu. Cela constitue (selon eux) la première preuve que les trous noirs pourraient être la source de l’énergie noire.
La recherche était composée d’astronomes et d’astrophysiciens de l’Université d’Hawai’i, de l’Institut Kavli de physique cosmologique, de l’Institut Enrico Fermi, de l’Observatoire européen austral (ESO), de l’Institut néerlandais de recherche spatiale (SRON), de la Radio nationale Astronomy Observatory (NRAO), l’Instituto de Astrofísica e Ciências do Espaço (IA), l’Institut Mitchell de physique fondamentale et d’astronomie et plusieurs universités. Leurs conclusions ont été publiées dans deux articles publiés dans Le Journal Astronomique et Les lettres du journal astronomique.
Crise cosmologique
Selon le modèle le plus largement accepté de l’Univers, l’énergie noire représente 68% du contenu masse-énergie de l’Univers. Cette théorie a ressuscité une idée qu’Einstein avait proposée mais plus tard rejetée – qu’il y avait une “constante cosmologique” (représentée par le symbole scientifique delta) qui “retenait” la gravité et empêchait l’Univers de s’effondrer sur lui-même. La force et la matière noire (qui représente 26,8 % du contenu masse-énergie) font partie intégrante du modèle cosmologique le plus répandu aujourd’hui, connu sous le nom de modèle Lambda-Cold Dark Matter (LCDM).
L’argument principal derrière l’énergie noire est qu’il existe un type spécial d’énergie dans l’espace-temps (appelée énergie du vide) qui sépare l’univers. Il y a cependant quelques problèmes avec cette théorie, dont le moindre n’est pas lié au fait qu’aucune preuve directe n’existe pour cette énergie mystérieuse. De plus, bien que cette énergie du vide soit cohérente avec la mécanique quantique, toutes les tentatives pour la calculer à l’aide de la théorie quantique des champs se sont soldées par un échec. En plus de cela, il y a la question de savoir comment cette énergie coïncide avec les trous noirs supermassifs (SMBH) dans notre Univers.
Dans les années 1970, les astronomes avaient déterminé que la source radio persistante au centre de notre galaxie (Sagittarius A*) était un trou noir d’une masse de 40 millions de soleils. D’autres observations ont démontré que la plupart des galaxies massives avaient des SMBH dans leur région centrale, ce qui était la raison des noyaux galactiques actifs (AGN), ou quasars. La gravité extrêmement puissante des SMBH fait tomber la matière environnante autour d’eux, formant des disques d’accrétion et de puissants jets relativistes où la matière est accélérée à une vitesse proche de la vitesse de la lumière (et libère d’énormes quantités de rayonnement dans le processus).
La présence de ces mammouths au centre de la plupart des galaxies massives nécessiterait une force extrêmement puissante pour les contrecarrer. Cela est particulièrement vrai lorsqu’il s’agit des singularités supposées exister en leur cœur, où les lois mêmes de la physique s’effondrent et deviennent indiscernables. Cela a donné naissance à une théorie exotique connue sous le nom de «couplage cosmologique», selon laquelle les SMBH pourraient avoir une énorme énergie de vide et qu’ils sont la raison pour laquelle l’Univers est en expansion.
Dans leurs articles, l’équipe dirigée par Duncan Farrah (un astronome de l’Université d’Hawai’i à Manoa et un ancien Ph.D. de l’Imperial College rapporte la première preuve d’observation que les trous noirs gagnent en masse d’une manière compatible avec le fait qu’ils contiennent du vide Alors que les astrophysiciens cherchaient une solution théorique au problème de l’énergie noire et des trous noirs, les découvertes de l’équipe constitueraient la première d’observation preuve que les trous noirs sont la source de l’énergie noire.
Si cela est vrai, la découverte supprime la nécessité de former des singularités au centre des trous noirs, résolvant un débat de longue date. Cela signifie également que rien de plus n’est nécessaire (pas de nouvelles forces ou de théories modifiées de la gravité) pour que nos modèles cosmologiques aient un sens. Le Dr Chris Pearson, chercheur de RAL Space, un conseil de recherche supervisé par le Science and Technology Facilities Council (STFC) du Royaume-Uni, et le Dr Dave Clements du Département de physique de l’Imperial College étaient co-auteurs des études.
“Si la théorie tient, alors cela va révolutionner le domaine de la cosmologie, car nous avons enfin une solution pour l’origine de l’énergie noire qui laisse perplexe les cosmologistes et les physiciens théoriciens depuis plus de 20 ans”, a déclaré Pearson dans un espace RAL. communiqué de presse. “C’est un résultat vraiment surprenant. Nous avons commencé par étudier la croissance des trous noirs au fil du temps et nous avons peut-être trouvé la réponse à l’un des plus gros problèmes de la cosmologie », a ajouté Clements.
…Exiger des preuves extraordinaires
L’équipe est parvenue à cette conclusion en examinant l’histoire évolutive des SMBH au centre des galaxies elliptiques géantes. Il s’agit d’un type de « galaxie primitive » qui s’est formée au début de l’Univers et qui a depuis cessé de former des étoiles (alias « galaxies dormantes »). Des décennies d’observations ont montré que les trous noirs peuvent augmenter leur masse de deux manières : en accrétant de la matière ou en fusionnant avec des trous noirs. Comme ils l’ont indiqué dans leur premier article, l’équipe a examiné des galaxies elliptiques géantes à des décalages vers le rouge inférieurs à z
Ces galaxies dormantes ont peu de matière pour que leurs SMBH s’accrétent, ce qui signifie qu’une croissance supplémentaire ne peut pas être expliquée par les deux mécanismes mentionnés ci-dessus. L’équipe a ensuite comparé les observations de ces galaxies elliptiques – qui semblent encore jeunes – aux galaxies locales datées d’env. il y a 6,6 milliards d’années, qui sont depuis devenus inactifs. Ces observations ont révélé que les SMBH étaient 7 à 20 fois plus grandes qu’elles ne l’étaient il y a neuf milliards d’années, bien plus que ce qui est prédit par l’accrétion ou les fusions.
Dans leur deuxième article, ils expliquent en outre comment les mesures de populations de galaxies apparentées à différents moments de leur évolution (il y a environ 7,2 milliards d’années) ont montré une corrélation similaire entre la masse des SMBH et la taille de l’Univers. Ceci constitue la première preuve d’un « couplage cosmologique » en montrant que l’expansion de l’Univers et la croissance des SMBH sont liées. Si cela est confirmé par d’autres observations, cela pourrait effectivement redéfinir notre compréhension de l’Univers et de la nature des trous noirs. Comme l’a conclu Farrah :
« Nous disons vraiment deux choses à la fois : qu’il existe des preuves que les solutions typiques de trou noir ne fonctionnent pas pour vous sur une longue, très longue échelle de temps, et nous avons la première source astrophysique proposée pour l’énergie noire. Ce que cela signifie, cependant, n’est pas que d’autres personnes n’ont pas proposé de sources d’énergie noire, mais c’est le premier article d’observation où nous n’ajoutons rien de nouveau à l’Univers en tant que source d’énergie noire : les trous noirs dans la théorie d’Einstein de la gravité sont l’énergie noire.
Corrélation, pas Couplage ?
Naturellement, ces affirmations ont été accueillies avec un certain scepticisme par la communauté astronomique/astrophysique. En particulier, l’affirmation des auteurs selon laquelle leurs observations constituent une preuve de couplage a été contestée pour confondre corrélation et causalité. L’astrophysicien, auteur, communicateur scientifique et contributeur principal de Forbes Ethan Siegel en a parlé dans un récent épisode de Demandez à Ethan – une série spéciale dans sa rubrique Starts with a Bang!, où il répond aux questions du public. En examinant leurs recherches, Siegel note comment les conclusions des auteurs reposent sur une hypothèse majeure.
Cette hypothèse est qu’il existe “une relation universelle entre la masse du trou noir central et la masse des étoiles dans une galaxie, qui peut évoluer au cours du temps cosmique mais devrait être universelle à un moment donné”. À partir de là, ils ont comparé les SMBH qu’ils ont choisis pour leurs données d’échantillon afin de déterminer s’il existe un « paramètre de couplage » (représenté par k) qui a la même valeur dans le temps cosmique. Au final, l’équipe a déterminé avec une confiance de 99,8 % que k a une valeur non nulle. Bien qu’ostensiblement convaincante, cette conclusion se résume à une relation supposée. Comme l’a conclu Ethan :
« Les auteurs supposent l’existence d’un couplage qui n’existe pas et attribuent l’évolution perçue des rapports de masse trou noir/stellaire à un couplage, alors que ce qui se passe, c’est que ces galaxies et leurs trous noirs évoluent. Étant donné que nous ne mesurons chaque galaxie qu’à un « instantané » dans le temps, nous n’avons aucun moyen de savoir comment un objet individuel évolue, et cette méthode particulière est précisément la façon dont les auteurs de l’article se trompent, et par extension, quiconque croit eux.”
Au risque de répéter l’adage galvaudé, “les revendications extraordinaires exigent des preuves extraordinaires”. La capacité de vérifier les résultats à plusieurs reprises est l’un des qualificatifs les plus importants pour que les preuves soient considérées comme solides. En d’autres termes, les résultats doivent être démontrables encore et encore et (de préférence) en utilisant différentes méthodes. Les auteurs le reconnaissent et espèrent que des observations répétées les confirmeront. Mais pour le moment, l’affirmation qu’ils ont faite reste extraordinaire et (compte tenu des implications) exige une enquête plus approfondie.
Lectures complémentaires :
