Une représentation de l’évolution de l’univers sur 13,77 milliards d’années. L’extrême gauche représente le moment le plus précoce que nous pouvons maintenant sonder, lorsqu’une période «d’inflation» a produit une explosion de croissance exponentielle dans l’univers. (La taille est représentée par l’étendue verticale de la grille dans ce graphique.) Au cours des prochains milliards d’années, l’expansion de l’univers s’est progressivement ralentie à mesure que la matière dans l’univers tirait sur elle-même via la gravité. Plus récemment, l’expansion a recommencé à s’accélérer à mesure que les effets répulsifs de l’énergie noire dominent l’expansion de l’univers. Crédit : Goddard Space Flight Center de la NASA
Les chercheurs étudient l’expansion cosmique à l’aide de méthodes issues de la physique à plusieurs corps.
On suppose presque toujours dans les calculs cosmologiques qu’il y a une répartition uniforme de la matière dans l’univers. En effet, les calculs seraient beaucoup trop compliqués si la position de chaque étoile devait être incluse. En réalité, l’univers n’est pas uniforme : à certains endroits il y a des étoiles et des planètes, à d’autres il n’y a qu’un vide.
Les physiciens Michael te Vrugt et le professeur Raphael Wittkowski de l’Institute of Theoretical Physics et du Center for Soft Nanoscience (SoN) au Université de Munster ont, en collaboration avec la physicienne Dr. Sabine Hossenfelder de l’Institut d’études avancées de Francfort (FIAS), développé un nouveau modèle pour ce problème. Leur point de départ était le formalisme de Mori-Zwanzig, une méthode pour décrire des systèmes constitués d’un grand nombre de particules avec un petit nombre de mesurandes. Les résultats de l’étude ont été publiés dans la revue Lettres d’examen physique.
Contexte : La théorie de la relativité générale développée par Albert Einstein est l’une des théories les plus réussies de la physique moderne. Deux des cinq derniers prix Nobel de physique y étaient associés : en 2017 pour la mesure de ondes gravitationnelles, et en 2020 pour la découverte d’un trou noir au centre de la voie Lactée. L’une des applications les plus importantes de la théorie est de décrire l’expansion cosmique de l’univers depuis le Big Bang. La vitesse de cette expansion est déterminée par la quantité d’énergie dans l’univers. En plus de la matière visible, c’est surtout la matière noire et l’énergie noire qui jouent ici un rôle – du moins, selon le modèle Lambda-CDM actuellement utilisé en cosmologie.
« À strictement parler, il est mathématiquement faux d’inclure la valeur moyenne de la densité d’énergie de l’univers dans les équations de la relativité générale », explique Sabine Hossenfelder. La question est maintenant de savoir à quel point cette erreur est « grave ». Certains experts la jugent hors de propos, d’autres y voient la solution à l’énigme de l’énergie noire, dont la nature physique est encore inconnue. Une distribution inégale de la masse dans l’univers peut avoir un effet sur la vitesse d’expansion cosmique.
« Le formalisme de Mori-Zwanzig est déjà utilisé avec succès dans de nombreux domaines de recherche, de la biophysique à la physique des particules », explique Raphael Wittkowski, « il offrait donc également une approche prometteuse de ce problème astrophysique. » L’équipe a généralisé ce formalisme afin qu’il puisse être appliqué à la relativité générale et, ce faisant, a dérivé un modèle d’expansion cosmique tout en tenant compte de la répartition inégale de la matière dans l’univers.
Le modèle fait une prédiction concrète de l’effet de ces inhomogénéités sur la vitesse d’expansion de l’univers. Cette prédiction s’écarte légèrement de celle donnée par le modèle Lambda-CDM et offre ainsi une opportunité de tester expérimentalement le nouveau modèle. « À l’heure actuelle, les données astronomiques ne sont pas assez précises pour mesurer cet écart, explique Michael te Vrugt, mais les grands progrès réalisés – par exemple dans la mesure des ondes gravitationnelles – laissent espérer que cela changera. En outre, la nouvelle variante du formalisme de Mori-Zwanzig peut également être appliquée à d’autres problèmes astrophysiques – de sorte que le travail ne concerne pas seulement la cosmologie.
Référence : « Mori-Zwanzig Formalism for General Relativity : A New Approach to the Averaging Problem » par Michael te Vrugt, Sabine Hossenfelder et Raphael Wittkowski, 1er décembre 2021, Lettres d’examen physique.
DOI : 10.1103/PhysRevLett.127.231101
Financement : Michael te Vrugt reçoit un financement sous la forme d’une bourse de doctorat de la Studienstiftung des deutschen Volkes (Fondation allemande des bourses universitaires). Sabine Hossenfelder reçoit un soutien financier de la Fondation allemande pour la recherche (DFG, HO 2601/8-1). Le groupe de travail Wittkowski est également financé par la Fondation allemande pour la recherche (DFG, WI 4170/3-1).
