L'un des mystères non résolus de la science moderne est la raison pour laquelle l'expansion de l'univers semble s'accélérer. Certains scientifiques soutiennent que cela est dû à une énergie noire théorique qui contrecarre l'attraction de la gravité, tandis que d'autres pensent que la théorie de la gravité d'Albert Einstein, acceptée depuis longtemps, pourrait devoir être modifiée.

Alors que les astrophysiciens cherchent des réponses dans les montagnes de données recueillies à partir d'observations astronomiques, ils constatent que les incohérences dans ces données pourraient finalement conduire à la vérité.

"C'est comme un roman policier, où des preuves ou des témoignages incohérents pourraient conduire à résoudre l'énigme, " a déclaré le Dr Mustapha Ishak-Boushaki, professeur d'astrophysique à la School of Natural Sciences and Mathematics de l'Université du Texas à Dallas.

Ishak-Boushaki et son doctorant Weikang Lin ont développé un nouvel outil mathématique qui identifie et quantifie les incohérences dans les données cosmologiques recueillies par diverses missions et expériences scientifiques. Leurs découvertes pourraient faire la lumière sur l'énigme de l'accélération cosmique et avoir un impact significatif sur notre compréhension de l'univers.

Leurs recherches les plus récentes, publié en octobre dernier dans la revue Examen physique D , a été présenté le 4 juin lors d'une réunion de l'American Astronomical Society à Denver.

"Les incohérences que nous avons trouvées doivent être résolues à mesure que nous nous dirigeons vers une cosmologie plus précise et exacte, " a déclaré Ishak-Boushaki. " Les implications de ces divergences sont que certains de nos ensembles de données actuels comportent des erreurs systématiques qui doivent être identifiées et supprimées, ou que le modèle cosmologique sous-jacent que nous utilisons est incomplet ou a des problèmes."

Un univers modèle

Les astrophysiciens utilisent un modèle standard de cosmologie pour décrire l'histoire, l'évolution et la structure de l'univers. A partir de ce modèle, ils peuvent calculer l'âge de l'univers ou sa vitesse d'expansion. Le modèle comprend des équations qui décrivent le destin ultime de l'univers - s'il continuera à s'étendre, ou éventuellement ralentir son expansion à cause de la gravité et s'effondrer sur lui-même dans un gros craquement.

Plusieurs variables, appelées paramètres cosmologiques, sont intégrées dans les équations du modèle. Les valeurs numériques des paramètres sont déterminées à partir d'observations et incluent des facteurs tels que la vitesse à laquelle les galaxies s'éloignent les unes des autres et les densités de matière, l'énergie et le rayonnement dans l'univers.

Mais il y a un problème avec ces paramètres. Leurs valeurs sont calculées à l'aide d'ensembles de données provenant de nombreuses expériences différentes, et parfois les valeurs ne concordent pas. Le résultat :des erreurs systématiques dans les ensembles de données ou une incertitude dans le modèle standard.

« Nos recherches portent sur la valeur de ces paramètres, comment ils sont déterminés à partir de diverses expériences, et s'il y a accord sur les valeurs, " a déclaré Ishak-Boushaki.

Un nouvel outil détecte les incohérences

L'équipe de l'UT Dallas a développé une nouvelle mesure, appelé indice d'incohérence, ou IOI, qui donne une valeur numérique au degré de discordance entre deux ou plusieurs ensembles de données. Les comparaisons avec un IOI supérieur à 1 sont considérées comme incohérentes. Ceux avec un IOI supérieur à 5 sont classés comme fortement incohérents.

Par exemple, les chercheurs ont utilisé leur IOI pour comparer cinq techniques différentes pour déterminer le paramètre de Hubble, qui est liée à la vitesse à laquelle l'univers s'étend. L'une de ces techniques, appelée mesure locale, consiste à mesurer les distances d'étoiles explosives relativement proches appelées supernovae. Les autres techniques reposent sur des observations de différents phénomènes à des distances beaucoup plus grandes.

"Nous avons constaté qu'il existe un accord entre quatre de ces méthodes sur cinq, mais le paramètre de Hubble de la mesure locale des supernovae n'est pas en accord. C'est comme une valeur aberrante, » dit Ishak-Boushaki. « En particulier, il y a une nette tension entre la mesure locale et celle de la mission scientifique Planck, qui a caractérisé le rayonnement de fond de micro-ondes cosmique."

Pour compliquer les choses, plusieurs méthodes ont été utilisées pour déterminer que la mesure locale, et ils ont tous produit une valeur Hubble similaire, toujours en désaccord avec Planck et d'autres résultats.

"Pourquoi cette mesure locale du paramètre de Hubble est-elle en désaccord significatif avec Planck?" demanda Ishak-Boushaki.

Lui et Lin ont également appliqué leur outil IOI à cinq ensembles de données d'observation liées à la structure à grande échelle de l'univers. Les paramètres cosmologiques calculés à l'aide de ces cinq ensembles de données étaient en fort désaccord, à la fois individuellement et collectivement, avec des paramètres déterminés par les observations de Planck.

"C'est très intriguant. Cela nous dit que l'univers aux plus grandes échelles observables peut se comporter différemment de l'univers aux échelles intermédiaires ou locales, " a déclaré Ishak-Boushaki. "Cela nous amène à nous demander si la théorie de la gravité d'Albert Einstein est valable depuis les petites échelles jusqu'aux très grandes échelles dans l'univers."

Les chercheurs de l'UT Dallas ont mis leur outil IOI à la disposition d'autres scientifiques. Ishak-Boushaki a déclaré que la Dark Energy Science Collaboration, dans le cadre du projet Large Synoptic Survey Telescope, utilisera l'outil pour rechercher les incohérences entre les ensembles de données.

"Ces incohérences commencent à apparaître davantage maintenant parce que nos observations ont progressé à un niveau de précision où nous pouvons les voir, " dit Ishak-Boushaki, qui a publié son premier article sur les incohérences en 2005. "Nous avons besoin des bonnes valeurs pour ces paramètres cosmologiques car cela a des implications importantes pour notre compréhension de l'univers."