La mystérieuse énergie noire pourrait être aidée par un complice dans la suppression de la croissance des structures cosmiques
Une nouvelle analyse de données astronomiques suggère que des lois de la physique inconnues interviennent pour aider l’énergie noire à agir presque comme une antigravité, annulant le travail de la gravité qui regroupe la matière pour former des structures cosmiques vastes, telles que des superamas composés de groupes de galaxies. La structure à grande échelle de l’univers fait référence à des motifs vastes et interconnectés de galaxies, de groupes de galaxies et de superamas organisés en filaments, en vides et en murs qui composent la toile cosmique. La gravité a façonné cette structure au cours de milliards d’années. L’équipe a découvert qu’elle se forme plus lentement aujourd’hui par rapport à la vitesse à laquelle elle se formait il y a 13,8 milliards d’années, au début de l’univers. Une visualisation de la toile cosmique du projet Evolution and Assembly of Galaxies and their Environments (EAGLE) (Crédit image : Projet EAGLE) Les chercheurs ont découvert ces indices sur une nouvelle physique grâce aux données de l’Enquête spectroscopique d’oscillation des baryons (BOSS). BOSS cartographie la distribution spatiale des galaxies rouges lumineuses (LRG) et des quasars alimentés par des trous noirs pour détecter les variations de matière dans le jeune univers ou les oscillations acoustiques des baryons, figées dans une fossilisation cosmique appelée rayonnement cosmique fossile (CMB en anglais). Nous avons découvert que la formation de structures dans l’univers tardif, telle qu’elle est examinée par les galaxies de l’enquête BOSS, semble être supprimée par rapport aux attentes, a déclaré Shi-Fan Chen, chef d’équipe et chercheur à l’université de Princeton. En fait, nos résultats suggèrent que cette suppression est tout à fait indépendante de l’énergie noire.
Pourquoi l’énergie noire ne peut pas agir seule
L’énergie noire est le nom provisoire donné à ce qui accélère l’expansion de l’univers. Découverte par deux équipes de chercheurs indépendantes en 1998, l’énergie noire est censée représenter environ 70% du budget total de matière-énergie de l’univers. L’explication actuelle la plus plausible pour l’énergie noire est la constante cosmologique représentée par la lettre grecque lambda (Λ) dans le modèle standard de la cosmologie, également connu sous le nom de modèle ΛCDM (matière noire froide avec constante cosmologique lambda). La constante cosmologique représente l’énergie du vide, c’est-à-dire l’énergie de l’espace vide. Cela peut sembler très étrange, car cela est lié à des paires de particules de matière et d’antimatière qui apparaissent et disparaissent. Si une paire de particules de matière et d’antimatière est créée avec une énergie égale et opposée dans un espace limité, alors l’énergie totale de cet espace est toujours nulle. Cela ressemble beaucoup à un découvert, mais au lieu de prêter de l’argent, l’univers prête de l’énergie. Tout comme une banque, cependant, l’univers exige que cette énergie soit remboursée, ce que font les particules virtuelles en s’annihilant mutuellement. Cela signifie que l’espace vide ne peut jamais vraiment être garanti comme étant vide. Aussi fou que puisse paraître l’idée que la matière apparaisse à partir de rien, nous l’avons vérifié expérimentalement. L’effet Casimir, observé dans des laboratoires du monde entier, en est un exemple très célèbre de particules virtuelles et de fluctuations quantiques qui les créent, et donc d’énergie du vide. Une animation montre comment l’espace vide n’est jamais vraiment vide, avec des particules virtuelles apparaissant et disparaissant (Crédit image : Derek Leinweber) Voici l’astuce : si l’énergie noire est la constante cosmologique, elle doit être exactement constante. Donc, dans le modèle ΛCDM, même si l’énergie noire provoque un changement dans le taux d’expansion de l’univers, la constante cosmologique ne devrait pas changer. Récemment, cependant, des anomalies dans les résultats de l’instrument spectroscopique d’énergie noire (DESI) ont suscité l’émoi des cosmologistes lorsqu’elles ont indiqué que l’énergie noire changeait avec le temps. Ainsi, cette énergie noire dynamique ou changeante est contraire au modèle ΛCDM. Les résultats récents de DESI suggèrent que l’énergie noire pourrait ne pas être une constante cosmologique, mais pourrait évoluer avec le temps. Nous étions curieux de voir si cette tension avec le modèle ΛCDM pourrait être liée à la suppression de la structure, a déclaré Chen. Quoi qu’il en soit, en vérifiant les résultats de DESI avec les données de BOSS, l’équipe se retrouve maintenant face à un mystère encore plus grand.
L’énergie noire et la constante cosmologique
Quelle que soit l’énergie noire, qu’il s’agisse de la constante cosmologique ou d’autre chose, l’expansion de l’espace-temps fonctionne à des échelles extrêmement grandes, donc vous ne verrez pas votre tasse de café s’éloigner de vous, et l’énergie noire ne rendra pas votre trajet pour aller travailler plus long chaque matin (désolé, cela n’est plus une excuse valable). Cependant, nous pouvons voir des galaxies lointaines s’éloigner de nous à des vitesses toujours plus accélérées. Nous pouvons également observer leurs effets dans les fluctuations BAO figées dans le CMB, car cette lumière fossile d’un événement juste après le Big Bang est presque uniformément répartie dans tout l’univers. Il n’est donc pas surprenant que l’énergie noire, en tant que force qui repousse les galaxies, joue un rôle dans l’arrêt de la formation de structures à grande échelle telles que les amas de galaxies et les superamas. Ce qui est remarquable dans les résultats obtenus par Chen et ses collègues, c’est qu’ils montrent que les structures à grande échelle sont encore moins courantes aujourd’hui que ce qui est prédit à la fois par le modèle ΛCDM de cosmologie et lorsque l’énergie noire est autorisée à varier. Cela implique l’existence d’un autre facteur, quelque chose de nouveau, dont on ignore l’identité. Différentes explications théoriques ont été avancées pour expliquer pourquoi l’amplitude mesurée de la structure cosmique aux époques tardives semble légèrement inférieure aux attentes, explique Chen. À l’heure actuelle, il n’y a pas de réponses concluantes. L’expansion de l’univers due à l’énergie noire, avec les galaxies qui s’étendent comme des points sur la peau d’un ballon gonflable (Crédit image : Robert Lea) Cependant, il y a un indice concernant la suppression des structures cosmiques à grande échelle. Cette suppression semble avoir commencé au moment où l’énergie noire a commencé à dominer l’univers. L’énergie noire peut régner sur l’univers maintenant, mais cela n’a pas toujours été le cas. Immédiatement après le Big Bang, l’univers était dominé par le rayonnement, ce qui a provoqué une expansion rapide. Environ 70 000 ans après le Big Bang, l’univers s’était suffisamment refroidi pour que la gravité puisse l’emporter sur la pression du rayonnement. Cela a ralenti l’expansion initiale provoquée par le Big Bang, l’a presque arrêtée, et les premiers amas de matière, d’étoiles et de galaxies ont pu se former. Environ 9 à 10 milliards d’années après le Big Bang, soit il y a environ 4 à 5 milliards d’années, quelque chose de bizarre a commencé à se produire. L’univers a commencé à se dilater à nouveau. Non seulement cela, mais cette expansion a commencé à s’accélérer, et elle continue de s’accélérer aujourd’hui. C’est le début de l’époque dominée par l’énergie noire ; le problème est que personne ne sait comment s’est produite la transition de la domination de la matière à celle de l’énergie noire. Cette illustration montre une ligne temporelle de l’univers basée sur la théorie du Big Bang et les modèles d’inflation (Crédit image : NASA/WMAP) Les données de BOSS sondent l’univers lorsque l’énergie noire commence à se manifester, et nous pensons que cette suppression ne peut pas avoir eu lieu beaucoup plus tôt, explique Chen. Alors que l’énergie noire semble être liée à cette suppression, cette force mystérieuse ne peut toujours pas expliquer seule pourquoi la formation de grandes structures cosmiques est ralentie dans l’univers moderne. En combinant les mesures des vitesses particulières de ces galaxies, connues sous le nom de distorsions des décalages vers le rouge, avec leur corrélation croisée avec les lentilles faibles du CMB, nous constatons que la probabilité que nos résultats soient dus au hasard est de 1 sur 300 000, explique Chen. Cela suggère soit qu’il y a une certaine physique inconnue à l’œuvre, soit qu’il y a une certaine erreur systématique inconnue dans les données BOSS. Le chercheur ajoute que avec de meilleures données à l’horizon, notamment les premières données publiques sur l’agrégation de galaxies provenant de DESI, publiées la semaine dernière, l’équipe va réappliquer ses méthodes, comparer ses résultats avec ses découvertes actuelles et détecter toute différence statistiquement significative. Je pense qu’il y a plus de questions que de réponses à ce stade, déclare Chen. Cette recherche renforce certainement l’idée que différents ensembles de données cosmologiques commencent à être en tension lorsqu’ils sont interprétés dans le modèle standard de la cosmologie ΛCDM. Les recherches de l’équipe ont été publiées dans la revue Physical Review Letters.
