L’Univers serait en réalité « bancal » : une anomalie cosmique remet tout en question

Une remise en cause vertigineuse de notre place dans l’Univers

Il y a des moments, comme ça, où l’on se dit qu’on a tout compris, et puis… patatras. Une nouvelle étude menée par une équipe internationale de chercheurs suggère que notre Univers pourrait être fondamentalement « bancal » (ou lopsided, comme disent les anglophones), ce qui constituerait un défi colossal pour notre compréhension actuelle du cosmos. C’est le genre de nouvelle qui vous fait vous sentir tout petit, encore plus que d’habitude.

Au fil des siècles, on a dû ravaler notre fierté à plusieurs reprises. On a d’abord découvert que le monde n’était pas le centre de l’Univers autour duquel tout tournait. Dur pour l’ego. Ensuite, on a compris que la Terre tournait autour du Soleil, et pendant un temps, on a cru que c’était lui, le centre. Eh bien non. Raté encore une fois. Aujourd’hui, on sait que ce n’est pas le cas non plus.

En abandonnant ces idées de notre propre importance, nous utilisons désormais ce qu’on appelle le principe copernicien et son jumeau astronomique mis à jour, le principe cosmologique. En gros ? Nous, sur Terre, ne sommes pas au centre de l’Univers et nous n’occupons aucune région privilégiée. Même si certaines régions de l’espace peuvent différer — prenons le Grand Rien par exemple —, si l’on regarde à une échelle suffisamment grande, l’Univers est censé être isotrope et homogène. C’est-à-dire qu’il est grosso modo le même partout, peu importe où vous vous trouvez, si vous « dézoomez » assez.

Mais voilà, le professeur Subir Sarkar de l’Université d’Oxford, qui a travaillé sur cette nouvelle étude, jette un pavé dans la mare : « L’anomalie du dipôle cosmique s’est ainsi imposée comme un défi majeur pour le modèle cosmologique standard, même si la communauté astronomique a choisi de l’ignorer en grande partie ».

Le principe cosmologique face au fond diffus cosmologique

Une violation de ce principe, ce serait énorme. Pas aussi dramatique que si les lois de la thermodynamique étaient brisées, certes, mais quand même, ça ferait désordre. Comme l’expliquait Albert Stebbins du Fermilab à Phys.org, le principe copernicien est une pierre angulaire de la majeure partie de l’astronomie. Il est supposé sans discussion et joue un rôle crucial dans de nombreux tests statistiques pour la viabilité des modèles cosmologiques.

Stebbins précise que c’est une conséquence nécessaire de l’hypothèse plus forte du Principe Cosmologique : non seulement nous ne vivons pas dans une partie spéciale de l’Univers, mais il n’y a aucune partie spéciale. Tout est pareil partout, aux variations statistiques près. C’est un principe bien pratique, avouons-le. Il implique qu’ici et maintenant, c’est la même chose que là-bas et maintenant. On n’a pas besoin de regarder en arrière dans le temps à notre position actuelle ; on peut juste regarder très loin, et vu le temps de trajet de la lumière, on regarde une partie lointaine de l’Univers dans un passé lointain. Si le principe tient, leur passé est le même que le nôtre.

Cependant — et c’est là que ça se corse — en étudiant le fond diffus cosmologique (CMB), ce rayonnement résiduel datant d’environ 400 000 ans après le début de l’Univers, plusieurs équipes ont trouvé des éléments qui contestent ce principe. Si notre compréhension actuelle de la physique est bonne, cette première lumière, qui a commencé son voyage alors que l’Univers primitif chaud refroidissait, devrait avoir à peu près la même température partout, à quelques fluctuations mineures près.

L’Agence Spatiale Européenne (ESA) explique que les missions COBE et WMAP de la NASA ont mesuré la température du CMB à 2,726 Kelvin (soit environ -270 degrés Celsius) presque partout dans le ciel. Le « presque » est ici le facteur le plus important. Ces minuscules fluctuations de température, d’à peine une fraction de degré, représentent des différences de densité de structure qui étaient présentes juste après la formation de l’Univers. Imaginez-les comme des graines, là où les galaxies finiraient par pousser.

L’anomalie dipolaire et l’échec du test Ellis-Baldwin

En divisant le CMB en segments, on peut analyser les distributions de températures. Si vous divisez le CMB en petits morceaux (un dipôle étant deux hémisphères, un quadripôle divisé en quatre, etc.) et que vous les comparez, la distribution de température devrait paraître totalement aléatoire. Sauf que… ce n’est pas exactement le cas. Même après avoir corrigé le mouvement de la Terre, du Système solaire et de la Voie lactée, ça cloche.

Subir Sarkar, professeur émérite au département de physique de l’Université d’Oxford et auteur de l’étude, explique dans un article pour The Conversation qu’après avoir établi que le fond diffus cosmologique est symétrique à grande échelle, des variations ont été trouvées. L’une des plus significatives est appelée l’anisotropie dipolaire du CMB. C’est la plus grande différence de température, où un côté du ciel est plus chaud et le côté opposé plus froid — d’environ une partie pour mille.

Cette anomalie dipolaire ne remet pas directement en cause notre meilleur modèle de l’Univers du Big Bang, connu sous le nom de Lambda-CDM (Lambda pour la constante cosmologique et l’énergie noire, CDM pour la matière noire froide). Cependant, selon Sarkar, nous devrions trouver des variations dans d’autres données astronomiques qui correspondent à ces variations vues dans le CMB.

Dans ce fameux modèle Lambda CDM, des variations astronomiques plus locales dans la distribution des radiogalaxies ou des quasars résulteraient en un étrange « dipôle de regroupement ». Mais dans l’Univers plus lointain, si tout est vraiment symétrique, isotrope et homogène, alors les variations du CMB devraient correspondre aux variations de la distribution de la matière. Pourquoi ? Parce que le CMB représente le rayonnement fossile d’environ 380 000 ans après le Big Bang, les conditions initiales à partir desquelles l’Univers a évolué. C’est ce qu’on appelle le « test Ellis-Baldwin », du nom de l’équipe qui l’a proposé en premier.

Ces dernières années, avec beaucoup plus de données astronomiques sous la main, il est devenu un peu plus facile de mettre cette idée à l’épreuve. Et c’est ce que l’équipe actuelle a tenté de faire. Le résultat ? L’Univers échoue au test Ellis-Baldwin. La variation de la matière ne correspond pas à celle du CMB. Comme les sources d’erreur possibles sont très différentes pour les télescopes et les satellites, et pour différentes longueurs d’onde, il est rassurant (ou inquiétant, selon le point de vue) de voir que le même résultat est obtenu avec des radiotélescopes terrestres et des satellites observant aux longueurs d’onde infrarouges moyennes.

Conclusion : Faut-il repenser notre modèle cosmologique ?

L’anomalie du dipôle cosmique s’est donc établie comme un défi majeur, même si, je le répète, la communauté astronomique semble parfois tourner la tête ailleurs. C’est intéressant, certes, et ça mérite clairement une enquête approfondie, mais il ne faut pas non plus s’emballer trop vite et déclarer la mort du Lambda CDM et du principe cosmologique dès ce matin.

Il nous faut plus de données. Heureusement, de futurs outils incroyables devraient nous en fournir, comme l’Observatoire Vera Rubin et le Square Kilometre Array, ainsi que des satellites comme Euclid et SPHEREx. Mais si l’anomalie tient bon face à ces nouvelles observations, cela pourrait nécessiter de repenser sérieusement le modèle Lambda CDM, voire, selon Sarkar, de l’abandonner purement et simplement.

Si cela arrive, nous vivrons des temps vraiment très intéressants. L’étude complète est publiée dans Reviews of Modern Physics, pour ceux qui voudraient plonger dans les détails techniques.

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