Biréfringence cosmique : les astronomes ont découvert un nouveau problème majeur pour nos modèles actuels de la physique

Une anomalie qui sème le doute

Et si nos modèles actuels de l’univers étaient incomplets ? C’est la question vertigineuse que pose une nouvelle découverte. Des astronomes, en scrutant le fond diffus cosmologique (CMB), ont accumulé de nouvelles preuves d’un phénomène baptisé « biréfringence cosmique ». Une observation subtile, presque insaisissable, mais qui pourrait bien nécessiter l’élaboration d’une toute nouvelle physique pour être expliquée.

Ce n’est pas une simple curiosité d’observation. Il s’agit d’une potentielle faille dans notre compréhension la plus fondamentale du cosmos. Les données suggèrent que la lumière la plus ancienne de l’univers a subi une légère rotation au cours de son voyage de plusieurs milliards d’années jusqu’à nous. Un détail qui, selon le modèle standard de la physique, ne devrait tout simplement pas exister.

Le CMB : une fenêtre sur la naissance de l’univers

Pour comprendre l’enjeu, il faut revenir aux origines. Le fond diffus cosmologique, ou CMB, est considéré comme le vestige le plus ancien de la lumière dans l’univers. C’est un rayonnement faible et quasi uniforme, émis environ 380 000 ans après le Big Bang. À cette époque, le cosmos s’était suffisamment refroidi pour que les protons et les électrons puissent enfin s’associer pour former des atomes. Cet événement a rendu l’univers transparent, permettant à la lumière de voyager librement pour la première fois.

L’Agence Spatiale Européenne (ESA) souligne son importance capitale : « Le CMB est la lumière la plus lointaine et la plus ancienne que n’importe quel télescope puisse détecter. Il est impossible de voir plus loin dans le temps de sa libération car l’univers était alors complètement ‘opaque' ». L’agence ajoute que « Le CMB amène les astronomes au plus près possible du Big Bang, et est actuellement l’un des moyens les plus prometteurs dont nous disposons pour comprendre la naissance et l’évolution de l’univers dans lequel nous vivons ».

Un modèle solide, mais pas parfait

Ce rayonnement fossile, qui imprègne tout l’univers connu, constitue l’une des pierres angulaires de la cosmologie moderne. Dans l’ensemble, ses caractéristiques correspondent remarquablement bien à nos modèles décrivant l’évolution de l’univers, de ses débuts à aujourd’hui. Mais la perfection n’est pas de ce monde, et les scientifiques savent depuis longtemps que le CMB présente quelques anomalies qui résistent aux explications.

Avec des degrés de certitude variables, ces petites incohérences suggèrent que des mystères demeurent. Parmi elles, on trouve par exemple l’anomalie du dipôle cosmique, ou une autre, au nom bien plus évocateur, surnommée « l’axe du mal ». La biréfringence cosmique vient aujourd’hui s’ajouter à cette liste de défis lancés au modèle standard.

La surprenante rotation de la lumière primordiale

Le phénomène de « biréfringence cosmique » a été rapporté pour la première fois en 2020. Il est lié à la polarisation de la lumière, un processus par lequel les oscillations d’une onde lumineuse sont contraintes de se produire dans un seul plan, perpendiculaire à sa direction de déplacement. En temps normal, cette orientation de la polarisation reste fixe tandis que la lumière traverse l’espace.

Or, en comparant la polarisation du CMB avec celle de la lumière diffusée par des poussières bien plus proches, au sein de notre propre galaxie la Voie Lactée, les chercheurs ont découvert que celle du CMB avait été légèrement tournée depuis son émission. La publication initiale faisait état d’une rotation d’environ 0,3 degré. Un article plus récent, mis en ligne en prépublication en septembre 2025 et s’appuyant sur les données de l’Atacama Cosmology Telescope, affine cette mesure à 0,215 degré. Quelle que soit la valeur exacte, même une rotation aussi infime est totalement inattendue et pourrait indiquer l’existence d’une nouvelle physique.

Matière noire et axions : les coupables potentiels ?

Comment expliquer cette rotation ? Les chercheurs avancent des hypothèses audacieuses. « La lumière polarisée du fond diffus cosmologique est sensible à une nouvelle physique qui viole la symétrie de parité », explique l’équipe dans son article. « Par exemple, l’interaction des photons avec les champs de l’insaisissable matière noire et de l’énergie noire pourrait provoquer une rotation uniforme du plan de polarisation linéaire à travers le ciel ».

Une autre étude, également en prépublication et donc non encore validée par les pairs, pointe un candidat spécifique : les « axions » ou les particules de type axion (ALP). Ces particules hypothétiques sont l’un des candidats favoris pour composer la matière noire. « Les particules de type axion (ALP), en tant que candidats prometteurs pour la matière noire, possèdent des avantages uniques pour expliquer naturellement de tels phénomènes », écrivent les auteurs. Ils ajoutent : « Nos résultats révèlent que la superposition de deux champs d’ALP avec des masses distinctes peut assouplir les contraintes imposées par l’effet de ‘washout’ et se réconcilier avec les observations ».

Un long chemin avant de nouvelles certitudes

La route est encore longue avant que la biréfringence cosmique ne soit considérée comme une certitude absolue. Les scientifiques devront d’abord multiplier les études pour consolider les preuves de son existence. Il faudra ensuite affiner la mesure de l’angle de rotation du CMB depuis son émission il y a plus de 13 milliards d’années.

Ce n’est qu’une fois ces étapes franchies que la communauté scientifique pourra réellement commencer à déchiffrer ce que cette anomalie signifie pour la physique et le modèle standard qui la régit. En attendant, la nouvelle étude qui relance le débat est disponible sur le serveur de prépublication arXiv, accessible à tous les chercheurs du monde entier, signe d’une science en pleine effervescence.

Selon la source : iflscience.com