Les scientifiques croient que l'expansion continue de l'univers est due à une force appelée énergie noire, mais l'idée d'une nouvelle énergie noire « précoce » pourrait-elle aider à expliquer cette idée ? Laboratoire national de recherche en astronomie optique-infrarouge/Wikimedia Commons (CC BY 4.0) Depuis plus d'un siècle, les scientifiques savent que l'univers est en expansion depuis le big bang, l'événement primordial qui a tout déclenché il y a 13,8 milliards d'années.
Mais si loin, ils n'ont pas été en mesure de résoudre un problème délicat. À quelle vitesse se développe-t-il ? C'est parce qu'il y a une disparité entre le taux estimé basé sur le rayonnement laissé par le big bang, connu sous le nom de fond diffus cosmologique, ou CMB dans le jargon scientifique, et le rythme nettement plus rapide basé sur les observations de supernovae. Le taux d'expansion de l'univers est connu sous le nom de constante de Hubble, la disparité est donc appelée la « tension de Hubble ».
Les scientifiques croient que l'expansion continue de l'univers est due à une force appelée énergie noire, qui semble avoir commencé à inverser la décélération de l'univers 7 ou 8 milliards d'années après le big bang.
"L'énergie noire est une source d'énergie hypothétique dans l'univers aujourd'hui qui, selon notre meilleure compréhension de l'univers comprend environ 70 pour cent de l'énergie totale dans l'univers, " explique Glenn Starkman, éminent professeur d'université et coprésident du département de physique de la Case Western Reserve University.
"La principale preuve de son existence est l'expansion accélérée de l'univers qui semble s'être poursuivie depuis plusieurs milliards d'années, " dit Starkman. " Pour conduire une telle expansion, il faut une source d'énergie qui ne se dilue pas (ou se dilue très peu) à mesure que l'univers s'étend. Cela disqualifie la plupart des sources d'énergie - par exemple, matière ordinaire, ou matière noire, les deux deviennent moins denses à mesure que l'univers s'agrandit. Le modèle le plus simple de l'énergie noire est qu'il s'agit de la densité d'énergie immuable associée à l'espace vide. En tant que tel, si l'espace s'agrandit, la densité de l'énergie noire resterait constante."
Mais, il y a beaucoup de choses qui sont inexpliquées à propos de l'énergie noire, y compris pourquoi il n'a pas existé depuis le début. Et même l'inclusion de l'énergie noire dans le modèle standard ne résout pas la disparité entre les deux mesures de l'expansion cosmique.
Mais deux nouveaux, études non encore publiées, tous deux basés sur des données recueillies entre 2013 et 2016 par le télescope cosmologique d'Atacama (ACT), peut aider à indiquer une solution possible à un problème. Les chercheurs pensent avoir trouvé des traces d'un type d'énergie noire "précoce" qui existait dans les 300 premiers, 000 ans après le big bang. Ce récent article dans Nature de Davide Castelvecchi a d'abord fait connaître les deux articles, l'un par l'équipe d'ACT et l'autre par un groupe indépendant qui comprenait Vivian Poulin, astrophysicien à l'Université de Montpellier en France, et ses collègues Tristian L. Smith et Alexa Bartlett du Swarthmore College.
L'idée de l'énergie noire précoce a été initialement proposée il y a quelques années par Poulin, puis stagiaire postdoctoral à l'Université Johns Hopkins, Smith et ses collègues, comme moyen de résoudre la question.
"L'énergie noire précoce est une proposition pour une autre forme d'énergie noire, c'est à dire., pas évidemment lié à l'énergie noire provoquant l'expansion accélérée d'aujourd'hui, " explique Starkman. EDE "aurait joué un rôle important dans l'univers il y a longtemps, quand l'univers avait environ 10, 000 fois plus petit et plus chaud qu'il ne l'est actuellement." C'est un concept, il dit, qui "a été conçu pour résoudre certains mystérieux désaccords sur l'histoire du taux d'expansion de l'univers."
Comme l'explique l'article de Nature, l'énergie noire précoce n'aurait pas été assez puissante pour provoquer l'expansion accélérée de l'univers des milliards d'années plus tard. Au lieu, il l'aurait indirectement influencé, en provoquant le mélange de particules élémentaires, ou plasma, formé peu de temps après le big bang, pour se refroidir plus rapidement. Cette, à son tour, affecterait la façon dont le fond diffus cosmologique devrait être mesuré - en particulier les mesures de l'âge et du taux d'expansion de l'univers en fonction de la distance que les ondes sonores pourraient parcourir dans le plasma avant qu'il ne se refroidisse en gaz - et entraînerait un taux d'expansion plus rapide qui est plus proche à ce que les astronomes calculent sur la base des objets célestes.
L'énergie noire précoce est une solution théorique délicate, mais "c'est le seul modèle que nous pouvons mettre au travail, " comme le physicien théoricien de l'Université Johns Hopkins Mark Kamionkowski, l'un des auteurs de l'article sur l'énergie noire précoce de 2018, expliqué à la nature.
Les deux études pourraient aider à renforcer les arguments en faveur de l'énergie sombre précoce, mais l'un des chercheurs impliqués dit qu'il n'est toujours pas entièrement convaincu et prévient que davantage de travail est nécessaire pour parvenir à une conclusion claire.
« J'ai été sceptique quant aux premiers modèles d'énergie noire en raison des problèmes auxquels ils sont confrontés pour faire correspondre les mesures de haute précision de la distribution à grande échelle des galaxies et de la matière dans l'univers (« structure à grande échelle », ou LSS), " Columbia University professeur adjoint de physique J. Colin Hill, co-auteur de l'étude de l'équipe ACT, notes dans un e-mail. (La remise en question du concept par Hill se reflète dans cet article qu'il a co-écrit en 2020, et dans un article ultérieur aussi, et il mentionne également un autre article d'autres chercheurs qui soulève des complications similaires.)
"Le point à retenir des trois articles liés ci-dessus est que les premiers modèles d'énergie noire qui correspondent aux données du CMB et du Riess, et al., Les données H0 donnent des prédictions pour LSS qui ne correspondent pas aux données de ces enquêtes, " Hill écrit dans l'e-mail. " Ainsi, nous avons conclu qu'un modèle théorique différent est probablement nécessaire, ou au moins une modification du premier scénario de l'énergie noire."
Dans la nouvelle étude que les collègues de Hill et ACT viennent de publier, ils n'ont pas pris en compte les données LSS dans l'analyse, et se sont plutôt concentrés presque exclusivement sur les données CMB. "L'objectif était vraiment de voir si les données de Planck et d'ACT CMB donnaient des résultats cohérents dans le contexte de l'énergie noire précoce. Nous avons constaté qu'elles donnent des résultats quelque peu différents, ce qui est une énigme majeure que nous sommes maintenant au travail pour essayer de comprendre. De mon point de vue, le problème LSS pour le premier scénario de l'énergie noire reste non résolu."
"En outre, les données de Planck à elles seules (qui restent l'ensemble de données le plus précis en cosmologie) ne montrent pas de préférence pour l'énergie sombre précoce, " Hill explique. " Ainsi, malgré les indices que nous avons vus dans les données ACT pour l'énergie sombre précoce, Je reste prudent quant à savoir si ce modèle pourrait vraiment être l'histoire finale. Nous aurons besoin de plus de données pour le savoir."
S'il existait, l'énergie noire primitive aurait été similaire à la force qui est censée conduire le taux d'expansion actuel de l'univers. Mais cela nécessiterait encore une refonte importante du modèle théorique.
"La principale différence est que cette énergie sombre précoce ne doit jouer un rôle que pendant une brève période dans l'histoire cosmique, et puis doit "disparaître", " Hill dit. "Pour y parvenir, nous construisons des modèles de physique des particules d'un nouveau domaine (techniquement, un champ de type axion) qui agit pour accélérer brièvement l'expansion de l'univers avant la recombinaison, mais s'estompe ensuite rapidement et devient hors de propos."
"En revanche, l'image dominante actuelle pour l'énergie noire standard est qu'il s'agit simplement d'une constante cosmologique, probablement provenant de l'énergie du vide, " Hill poursuit. " Cette forme d'énergie ne change pas avec le temps. C'est possible, cependant, cette énergie noire standard pourrait être due à un nouveau champ fondamental que nous n'avons pas encore compris. Dans ce cas, il se peut bien que le temps évolue, et il pourrait donc présenter une certaine similitude avec le premier modèle d'énergie noire discuté ci-dessus."
"De nouveau, nous aurons besoin de plus de données pour sonder ces questions plus précisément, et, espérons-le, trouver des réponses au cours de la prochaine décennie, " Hill dit. "Heureusement, de nombreuses expériences puissantes seront bientôt en ligne. » Il mentionne des installations telles que l'observatoire Simons, qui étudiera le CMB, ainsi que l'observatoire Rubin et les télescopes spatiaux Euclide et romain, qui recueillera de nouvelles informations sur LSS. "Cela devrait être très excitant de voir ce que nous trouvons, " il dit.
Voici une vidéo YouTube dans laquelle Hill discute de l'énergie sombre précoce :
Starkman dit qu'il est important d'être prudent avec de telles affirmations "extraordinaires", à moins que les preuves ne soient claires et convaincantes. Comme il le souligne, il y a aussi des preuves contre EDE. "Les résultats actuels montrent des tensions croissantes entre deux ensembles de données expérimentales de l'observation du fond diffus cosmologique - du satellite Planck de l'Agence spatiale européenne qui a volé au début de la dernière décennie, et de l'actuel télescope cosmologique d'Atacama. Le premier ne semble pas soutenir l'idée d'une énergie sombre précoce, alors que ce dernier le fait maintenant. De telles tensions entre les expériences sont courantes et frustrantes. Il est tentant de dire que plus de données d'ACT régleront la question, mais simplement surcharger les données Planck complétées avec plus de données ACT n'expliquera pas pourquoi les données Planck ne favorisent pas l'EDE. La tension semble susceptible de nécessiter une compréhension révisée de l'une de ces expériences afin de fournir un cas clair d'une manière ou d'une autre."
Wendy Freedman, un professeur d'astronomie et d'astrophysique à l'Université de Chicago qui a travaillé sur la mesure de l'expansion cosmique, pense qu'il est important de poursuivre divers modèles alternatifs.
"Nous avons actuellement un modèle standard de cosmologie, le modèle dit de matière noire froide lambda (LCDM), " affranchi, l'auteur de cet article, publié le 17 septembre 2021, sur la constante de Hubble dans The Astrophysical Journal, explique dans un e-mail. "Dans ce modèle, environ 1/3 de la densité globale de matière + énergie est due à la matière (dont la plupart est de la matière noire) et 2/3 est due à une composante de l'énergie noire."
"Toutefois, à l'heure actuelle, nous ne connaissons pas la nature de la matière noire ou de l'énergie noire, " poursuit Freedman. " Pourtant, le LCDM s'adapte très bien à un très large éventail d'expériences et d'observations différentes. Compte tenu de l'état de nos connaissances, il est clairement important de tester davantage le modèle standard. L'écart apparent actuel entre la valeur de la constante de Hubble déduite des mesures du CMB et certaines mesures locales pourrait être le signe d'une nouvelle physique. C'est pourquoi je dis qu'il est important d'étudier d'autres modèles au-delà de lambda CDM."
Mais Freedman ajoute une mise en garde importante :« Alternativement, il peut y avoir une erreur systématique encore inconnue qui est responsable de l'écart apparent. Il est donc également important de réduire les incertitudes dans les mesures actuelles de la constante de Hubble."
Maintenant c'est intéressantS'il s'avère que l'énergie noire primitive a existé, l'intégrer dans l'estimation de l'âge de l'univers aurait pour résultat que le cosmos serait plus jeune de 1,4 milliard d'années que l'estimation actuelle de 13,8 milliards d'années.
