Le mystère de l'expansion de l'Univers trouve une solution

Un chercheur de l'UNIGE résout une controverse scientifique autour de la vitesse d'expansion de l'Univers en proposant que celui-ci ne soit pas parfaitement homogène à grande échelle.


La Terre (La Terre est la troisième planète du Système solaire par ordre de distance croissante au Soleil, et la quatrième par taille et par masse croissantes. C'est la plus grande et la plus massive des...), le système solaire (Le système solaire est un système planétaire composé d'une étoile, le Soleil et des corps célestes ou objets définis gravitant autour de lui (autrement dit, notre système...), la Voie lactée (La Voie lactée (appelée aussi « notre galaxie », ou parfois simplement « la Galaxie », avec une majuscule) est le nom de la galaxie dans laquelle se situent...) entière ainsi que les quelques milliers de galaxies les plus proches de nous évoluent dans une vaste "bulle" de 250 millions d'années-lumière de diamètre (Dans un cercle ou une sphère, le diamètre est un segment de droite passant par le centre et limité par les points du cercle ou de la sphère. Le diamètre est aussi la longueur de ce segment. Pour...), dans laquelle la densité (La densité ou densité relative d'un corps est le rapport de sa masse volumique à la masse volumique d'un corps pris comme référence. Le corps de référence est l'eau pure à 4 °C...) de matière (La matière est la substance qui compose tout corps ayant une réalité tangible. Ses trois états les plus communs sont l'état solide, l'état liquide, l'état...) moyenne (La moyenne est une mesure statistique caractérisant les éléments d'un ensemble de quantités : elle exprime la grandeur qu'auraient chacun des membres de...) est moitié moins grande que celle du reste de l'Univers (L'Univers est l'ensemble de tout ce qui existe et les lois qui le régissent.). Telle est l'hypothèse proposée par un physicien (Un physicien est un scientifique qui étudie le champ de la physique, c'est-à-dire la science analysant les constituants fondamentaux de l'univers et les forces qui les...) théoricien de l'Université de Genève (L'université de Genève (UNIGE) est l'université publique du canton de Genève en Suisse. Fondée en 1559 par Jean Calvin, sous le nom d'Académie de Genève, comme un...) (UNIGE) pour résoudre un casse-tête qui divise la communauté scientifique (Un scientifique est une personne qui se consacre à l'étude d'une science ou des sciences et qui se consacre à l'étude d'un domaine avec la rigueur et les méthodes...) depuis une décennie (Une décennie est égale à dix ans. Le terme dérive des mots latins de decem « dix » et annus « année.): quelle est la vitesse (On distingue :) d'expansion de l'Univers ? Jusqu'à présent, au moins deux méthodes de calcul indépendantes parvenaient à deux valeurs qui diffèrent l'une de l'autre d'environ 10% et dont l'écart est statistiquement irréconciliable. L'approche, présentée dans la revue Physics Letters B, permet de gommer cette divergence et ce, sans faire appel à une quelconque "nouvelle physique (La physique (du grec φυσις, la nature) est étymologiquement la « science de la nature ». Dans un sens général...)".

Depuis le Big bang (Le Big Bang est l’époque dense et chaude qu’a connu l’univers il y a environ 13,7 milliards d’années, ainsi que l’ensemble des modèles cosmologiques qui la...) survenu il y a 13,8 milliards d'années, l'Univers est en expansion. Le premier à l'avoir suggéré est le chanoine et physicien belge Georges Lemaître (1894-1966) et le premier à l'avoir mis en évidence est Edwin Hubble (Le télescope spatial Hubble (en anglais, Hubble Space Telescope ou HST) est un télescope en orbite à environ 600 kilomètres d'altitude, il effectue un tour complet de la Terre toutes les 100 minutes. Il...) (1889-1953). L'astronome (Un astronome est un scientifique spécialisé dans l'étude de l'astronomie.) américain a découvert en 1929 que toutes les galaxies s'éloignent de nous et ce d'autant plus vite que leur distance est grande. Cela suggère qu'il a existé dans le passé (Le passé est d'abord un concept lié au temps : il est constitué de l'ensemble des configurations successives du monde et s'oppose au futur sur une...) un moment où toutes les galaxies se trouvaient au même endroit, un moment qui ne peut correspondre qu'au Big bang. De ces travaux sont issues la loi dite de Lemaître-Hubble et, surtout, la constante de Hubble (H0) qui représente le taux d'expansion de l'Univers. Les meilleures estimations de H0 se situent actuellement autour (Autour est le nom que la nomenclature aviaire en langue française (mise à jour) donne à 31 espèces d'oiseaux qui, soit appartiennent au genre Accipiter, soit...) de 70 (km/s)/Mpc (ce qui signifie que l'Univers s'étend de 70 km par seconde ( Seconde est le féminin de l'adjectif second, qui vient immédiatement après le premier ou qui s'ajoute à quelque chose de nature identique. La seconde est une unité de mesure du temps. La seconde d'arc est une mesure d'angle...) plus vite tous les 3,26 millions d'années-lumière). Le problème, c'est que deux méthodes de calcul s'opposent.

Supernovæ sporadiques

La première est basée sur le fond diffus cosmologique (Le fond diffus cosmologique est le nom donné au rayonnement électromagnétique issu de l'époque dense et chaude qu'a connue l'Univers par le passé, le Big Bang. Bien qu'issu d'une époque très chaude, ce...), ce rayonnement (Le rayonnement, synonyme de radiation en physique, désigne le processus d'émission ou de transmission d'énergie impliquant une particule porteuse.) microonde qui nous vient de partout et qui a été émis au moment où l'Univers est devenu assez froid (Le froid est la sensation contraire du chaud, associé aux températures basses.) pour que la lumière (La lumière est l'ensemble des ondes électromagnétiques visibles par l'œil humain, c'est-à-dire comprises dans des longueurs d'onde de 380nm (violet) à 780nm (rouge). La lumière est intimement liée à...) puisse enfin circuler librement (environ 370 000 ans après le Big bang). À partir de ces données (Dans les technologies de l'information (TI), une donnée est une description élémentaire, souvent codée, d'une chose, d'une transaction d'affaire, d'un événement, etc.) précises fournies par la mission spatiale Planck, compte tenu du fait que l'Univers est homogène et isotrope et en utilisant la théorie de la relativité (Cet article traite de la théorie de la relativité à travers les âges. En physique, la notion de relativité date de Galilée. Les travaux d'Einstein en ont fait un important champ d'étude, tant théorique qu'expérimental.) générale d'Einstein pour dérouler le scénario, on obtient pour H0 la valeur de 67,4. La seconde méthode de calcul se base sur les supernovæ qui apparaissent sporadiquement dans les galaxies lointaines. Ces événements très lumineux fournissent à l'observateur des distances très précises. Cette approche a permis de déterminer une valeur pour H0 de 74.

"Depuis plusieurs années, ces deux valeurs n'ont cessé de gagner en précision tout (Le tout compris comme ensemble de ce qui existe est souvent interprété comme le monde ou l'univers.) en restant différentes l'une de l'autre, explique Lucas Lombriser, professeur au Département de physique théorique (La physique théorique est la branche de la physique qui étudie l’aspect théorique des lois physiques et en développe le formalisme mathématique.) de la Faculté des sciences de l'UNIGE. Il n'en fallait pas plus pour provoquer une controverse scientifique (Une controverse est un débat de fond sur une idée nouvelle. L'histoire des sciences est jalonnée de controverses scientifiques dont certaines sont restées...) et même susciter l'espoir excitant que l'on avait peut-être affaire à une "nouvelle physique". Pour réduire cet écart, Lucas Lombriser a, quant à lui, imaginé que l'Univers n'est pas si homogène qu'on le prétend. Cette affirmation peut paraître évidente à des échelles relativement modestes. Il ne fait aucun doute que la matière est distribuée autrement dans une galaxie (Galaxies est une revue française trimestrielle consacrée à la science-fiction. Avec ce titre elle a connu deux existences, prenant par...) qu'en dehors. Il est plus difficile en revanche d'imaginer des fluctuations dans la densité moyenne de matière calculée sur des volumes des milliers de fois plus grands qu'une galaxie (Une galaxie est, en cosmologie, un assemblage d'étoiles, de gaz, de poussières et de matière noire et contenant parfois un trou noir supermassif en son centre.).

"Bulle de Hubble"

"Si nous nous trouvions dans une sorte de gigantesque "bulle" dans laquelle la densité de matière serait significativement inférieure à celle que nous connaissons pour l'Univers entier, alors cela aurait des conséquences sur les distances de supernovæ et, finalement, sur la détermination de H0", explique Lucas Lombriser.

Il faudrait seulement que cette "bulle de Hubble" soit assez grande pour comporter la galaxie qui sert de référence pour la mesure des distances. En fixant pour cette bulle un diamètre de 250 millions d'années-lumière, le physicien a calculé que si la densité de matière à l'intérieur était de 50% inférieure à celle du reste de l'Univers, alors on obtenait une nouvelle valeur pour la constante de Hubble qui soit, enfin, en accord avec celle obtenue grâce au fonds diffus cosmologique. "La probabilité (La probabilité (du latin probabilitas) est une évaluation du caractère probable d'un évènement. En mathématiques, l'étude des probabilités est un sujet de...) qu'il existe une telle fluctuation à cette échelle est de 1 sur 20, voire de 1 sur 5, précise Lucas Lombriser. Ce n'est donc pas un fantasme de théoricien. Il y a beaucoup de régions comme la nôtre dans le vaste Univers."

Contact:
- Lucas Lombriser - Professeur assistant au Département de physique théorique - Faculté des sciences - Lucas.lombriser at unige.ch