L'univers est en expansion continue, mais la vitesse exacte à laquelle il le fait reste incertaine, et n'a jusqu'à présent été approximé qu'à l'aide du télescope spatial Hubble de la NASA et d'autres instruments similaires. De plus, dans les années récentes, les astronomes utilisant le télescope Hubble ont dévoilé un écart entre les deux principales techniques utilisées pour estimer le taux d'expansion de l'univers.

Essentiellement, les mesures recueillies par le télescope Hubble suggèrent que l'univers s'étend beaucoup plus rapidement que ce qui est déduit des observations du fond diffus cosmologique (CMB). Cet écart, appelée tension de Hubble, a suscité un intérêt croissant au sein de la communauté des chercheurs en physique, pourtant, les tentatives pour le résoudre ont jusqu'à présent été infructueuses.

Des chercheurs de l'Université Johns Hopkins et du Swarthmore College ont récemment proposé et testé un modèle alternatif qui pourrait résoudre la tension de Hubble. Dans leur étude, décrit dans un article publié dans Lettres d'examen physique , les chercheurs ont appliqué avec succès un modèle d'énergie noire précédemment présenté par Marc Kamionkowski (l'un des auteurs), qui le décrit comme évolutif mais non interactif à la tension de Hubble.

"Malgré le manque de succès, les tentatives précédentes pour résoudre la tension de Hubble nous ont permis de comprendre à peu près quelles caractéristiques une solution devrait avoir, " Viviane Poulin, l'un des chercheurs qui a mené l'étude, dit Phys.org. "À la fois, nous travaillions à tester les conséquences de la théorie des cordes avec des observables cosmologiques, qui prédit l'existence d'un « axiverse, " c'est à dire., un grand nombre de particules extrêmement légères avec des propriétés physiques très particulières. Nous nous sommes rendu compte qu'une simple modification des propriétés physiques de ces particules leur donnait les caractéristiques dont nous avions besoin dans le contexte de la tension de Hubble. Ainsi, nous avons décidé d'aller de l'avant dans cette direction et de tester ce modèle alternatif."

Poulin et ses collègues sont des cosmologues théoriques, ils n'ont donc pas construit d'instrument pour tester leurs idées. Au lieu, ils ont utilisé des données collectées lors de collaborations de recherche renommées telles que les observations CMB de Planck et les mesures SH0ES H0. En utilisant ces données précédemment collectées, les chercheurs ont appliqué un modèle d'énergie sombre précoce (EDE) à la tension de Hubble.

L'énergie noire est un mystère persistant dans la compréhension cosmologique actuelle, bien qu'il comprenne environ 70 pour cent de la densité énergétique de l'univers. Il a été découvert pour la première fois en 1998 par Adam Riess, Brian Schmidt, Saul Perlmutter et leurs équipes respectives lors de leurs observations de supernovae.

"Un EDE signifie simplement que ces particules, dans le contexte cosmologique, agir comme un composant d'énergie noire (c'est-à-dire un fluide avec une pression négative) beaucoup plus tôt que l'énergie noire actuelle, " expliqua Poulin. " En pratique, ces particules modifient le taux d'expansion de l'univers au moment où les photons CMB ont été émis (c'est-à-dire, seulement 380, 000 ans après le Big Bang), en l'augmentant légèrement (d'environ 3 %) par rapport à la prédiction standard."

Dans leur étude, Poulin et ses collègues ont calculé à quoi ressemblerait le CMB en présence d'un composant EDE. Compte tenu de la précision des données recueillies par Planck et utilisées dans leurs calculs, les prédictions des chercheurs étaient assez détaillées.

« Nous devions déterminer exactement comment notre modèle se comporterait, évoluer et fluctuer, et comment cela affecterait le fond diffus cosmologique, la plus ancienne lumière de l'univers, " Tanvi Karwal, un autre chercheur impliqué dans l'étude, dit Phys.org. "Le CMB est complexe et sa forme doit être calculée numériquement, nous avons donc ajouté un code décrivant l'EDE à un code préexistant pour extraire des informations cosmologiques du CMB."

Poulin, Karwal et leurs collègues ont utilisé un superordinateur pour échantillonner des centaines de milliers de cosmologies différentes. Cela leur a permis d'identifier la cosmologie qui correspond le mieux aux observations existantes de l'univers. Ils ont découvert que ce nouveau modèle cosmologique, qui comprend un composant EDE, pourrait résoudre la tension de Hubble.

Essentiellement, les chercheurs ont observé qu'une légère modification du taux d'expansion de l'univers dans un passé lointain, tel que produit par un EDE, pourrait résoudre la tension de Hubble. Il est possible que le modèle réel testé dans leur étude, qui n'est qu'un soi-disant modèle de jouet, n'est pas réalisé dans la nature.

"Ce n'est pas problématique, car en cosmologie, ce qui compte vraiment, ce sont les propriétés dynamiques d'un ensemble de ces particules (plus exactement, c'est leur densité d'énergie totale et leur pression), et pas tellement leurs propriétés micro-physiques individuelles, " dit Poulin. " En fait, il existe déjà des réalisations alternatives de l'EDE proposées après la publication de nos travaux, dont les propriétés collectives sont similaires à celle que nous avons proposée."

Globalement, l'oeuvre de Poulin, Karwal et leurs collègues aident à la compréhension actuelle de quand et de combien EDE doit avoir été dynamiquement important, qui pourraient finalement éclairer le développement de modèles cosmologiques plus efficaces. Compte tenu de l'exactitude des données de Planck, il est tout à fait non négligeable qu'un fluide qui représente jusqu'à 10 pour cent de la densité énergétique de l'univers à des temps très anciens n'affecte pas de manière significative le CMB, montrant ainsi qu'il nécessite des calculs numériques substantiels.

« Mon principal point à retenir de ce projet est que les observations cosmologiques anormales peuvent nous aider à explorer une nouvelle physique, ", a déclaré Karwal. "Cette recherche a inspiré d'autres groupes à étudier des modèles similaires d'EDE comme solution à la tension de Hubble. Nous avons encore du travail à faire pour affiner et comprendre notre modèle EDE, mais sont également intéressés par différentes solutions à la tension de Hubble."

Les chercheurs prévoient maintenant de tester davantage leur modèle de plusieurs manières. D'abord, ils aimeraient l'utiliser pour en apprendre le plus possible sur les propriétés de l'EDE. En réalité, bien qu'il existe un certain nombre de modèles alternatifs d'EDE, les résolutions produites par ces modèles ne sont pas aussi efficaces que celles générées par le nouveau. Poulin, Karwal et leurs collègues aimeraient comprendre pourquoi leur modèle produit de meilleures prédictions, car leurs résultats mettent en évidence la sensibilité des données aux caractéristiques de l'EDE.

"Nous voulons également voir s'il existe des signatures supplémentaires de ces particules dans les observables cosmologiques, " dit Poulin. " Par exemple, nous avons déjà réalisé que les expériences CMB de nouvelle génération (telles que l'observatoire Simons et CMBS4) pourraient tester ce modèle indépendamment de l'observation des supernovae. Cela signifie que l'on pourrait dire sans ambiguïté que ce fluide existe dans la nature sans avoir besoin d'invoquer la tension de Hubble. Mais nous avons aussi montré que ces modèles peuvent affecter les propriétés statistiques d'ensembles de galaxies, pour laquelle nous avons de nombreuses observations.

À l'avenir, de nouvelles données collectées à l'aide d'instruments spatiaux tels que le satellite EUCLID et le télescope LSST pourraient améliorer la précision et la portée des mesures recueillies par cette équipe de chercheurs. Les chercheurs pensent que ces observations pourraient également contenir l'empreinte digitale de l'EDE, Cependant, parvenir à une prédiction précise de cette empreinte digitale nécessitera un travail supplémentaire qui va bien au-delà des calculs numériques qu'ils ont effectués.

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