Selon les théories cosmologiques les plus largement acceptées, l’Univers a commencé il y a environ 13,8 milliards d’années par une explosion massive connue sous le nom de Big Bang. Depuis lors, l’Univers est dans un état constant d’expansion, ce que les astrophysiciens appellent la constante de Hubble. Pendant des décennies, les astronomes ont tenté de mesurer le taux d’expansion, ce qui se faisait traditionnellement de deux manières. L’une consiste à mesurer localement l’expansion à l’aide d’étoiles variables et de supernovae, tandis que l’autre implique des modèles cosmologiques et des mesures de décalage vers le rouge du fond diffus cosmologique (CMB).
Malheureusement, ces deux méthodes ont produit des valeurs différentes au cours de la dernière décennie, donnant lieu à ce que l’on appelle la tension de Hubble. Pour résoudre cet écart, les astronomes pensent qu’une force supplémentaire (comme “Early Dark Energy”) peut avoir été présente au début de l’Univers que nous n’avons pas encore prise en compte. Selon une équipe de physiciens des particules, la tension de Hubble pourrait être résolue par une “nouvelle énergie sombre précoce” (NEDE) dans l’univers primordial. Cette énergie, selon eux, aurait connu une transition de phase lorsque l’Univers a commencé à se développer, puis a disparu.
La recherche a été menée par Martin S. Sloth, professeur de cosmologie théorique à l’Université du Danemark du Sud (SDU) et chef du groupe de recherche du Centre de cosmologie et de physique des particules Phénoménologie-Universe Origins (CP3-Origins) ; et Florian Niedermann, professeur adjoint de cosmologie à l’Institut nordique de physique théorique (NORDITA) à Stockholm et ancien postdoctorant dans le groupe de recherche de Sloth. Leurs recherches sont décrites dans un article publié le 10 décembre 2022, dans Lettres de physique B.
La tension de Hubble se résume à deux méthodes donnant des résultats différents, même si les deux sont considérées comme fiables. Les deux méthodes sont basées sur le Lambda Cold Dark Matter (LCDM) et le modèle de cosmologie Big Bang (alias le modèle standard). Ce modèle indique que l’Univers primitif était dominé par le rayonnement et la matière – à la fois baryonique (ou « normale ») et la matière noire. Environ 380 000 ans après le Big Bang, le rayonnement et la matière normale ont été compressés en un plasma chaud et dense invisible pour les télescopes modernes (le “Cosmic Dark Ages”).
Si les deux méthodes sont fiables, affirment Sloth et Niedermann, alors c’est peut-être la base (et non les méthodes) qui pose problème. Dans leur article, Sloth et Niedermann proposent que l’énergie noire ait subi une transition de phase au début de l’Univers, peu de temps avant qu’elle ne passe d’un état chaud dense à ce que nous voyons aujourd’hui. Au fur et à mesure que l’Univers s’étendait, les NEDE commencèrent à bouillonner à divers endroits, qui grandirent et finirent par entrer en collision les uns avec les autres. A déclaré Niedermann dans un communiqué de presse du SDU.
“Cela signifie que l’énergie noire dans l’univers primitif a subi une transition de phase, tout comme l’eau peut changer de phase entre gelée, liquide et vapeur. Au cours du processus, les bulles d’énergie sont finalement entrées en collision avec d’autres bulles et ont libéré de l’énergie en cours de route.
Cette transition de phase, ajoutent-ils, aurait pu durer très peu de temps (environ 300 000 ans) ou à peu près aussi longtemps qu’il faudrait à deux particules pour entrer en collision. Lorsque cette NEDE est appliquée, Sloth et Niedermann obtiennent les mêmes valeurs pour la constante de Hubble, quelles que soient les méthodes utilisées. Bien que cette théorie suggère que l’univers se comporte d’une manière qui n’est pas cohérente avec le modèle standard, elle offre une résolution possible à la tension de Hubble. Le paresseux a dit :
“[I]Si nous faisons confiance aux observations et aux calculs, nous devons accepter que notre modèle actuel de l’Univers ne peut pas expliquer les données, puis nous devons améliorer le modèle. Non pas en l’écartant et son succès jusqu’à présent, mais en l’élaborant et en le rendant plus détaillé afin qu’il puisse expliquer les nouvelles et meilleures données. Il semble qu’une transition de phase dans l’énergie noire soit l’élément manquant dans le modèle standard actuel pour expliquer les différentes mesures du taux d’expansion de l’Univers.
Cette étude est l’une des nombreuses qui tentent de résoudre la tension de Hubble en théorisant que l’énergie noire s’est comportée différemment au fil du temps. Ces études s’accompagnent d’efforts pour observer la période cosmique qui s’est produite peu de temps après le Big Bang (visible sous le nom de CMB) et lorsque les premières étoiles et galaxies ont dissipé l’âge des ténèbres (environ 1 milliard d’années plus tard). Et puis il y a la recherche en cours de la matière noire et de l’énergie noire, qui représentent 85 % de la masse et 68 % de l’énergie totale de l’univers observable.
Tous ces efforts visent à résoudre les derniers problèmes du modèle standard et à mettre en harmonie nos meilleures théories et observations cosmologiques. Ces efforts se déroulent à la fois du côté théorique et de l’observation, en tirant parti des télescopes de nouvelle génération – comme le Télescope spatial James Webbl’ASE’ Observatoire Euclideet les télescopes au sol de 30 mètres qui seront opérationnels dans les années à venir – l’apprentissage automatique et les superordinateurs sophistiqués qui peuvent simuler l’évolution cosmique au fil du temps.
Apprendre comment les lois physiques qui régissent l’Univers s’imbriquent est absolument crucial pour percer le dernier de ses secrets. Et même si nous n’avons pas encore tout compris, nous nous rapprochons !
Lectures complémentaires : SDU, Lettres de physique B
