L’écart entre la vitesse à laquelle l’univers semble s’étendre et la vitesse à laquelle nous nous attendons à ce qu’il se développe est l’une des anomalies les plus obstinément persistantes de la cosmologie.
Les cosmologistes basent leur attente du taux d’expansion — un taux connu sous le nom de constante de Hubble — sur les mesures du rayonnement émis peu de temps après le Big Bang. Ce rayonnement révèle les ingrédients précis de l’univers primitif., Les cosmologues branchent les ingrédients dans leur modèle d’évolution cosmique et font avancer le modèle pour voir à quelle vitesse l’espace devrait s’étendre aujourd’hui.
Pourtant, la prédiction tombe à point: lorsque les cosmologistes observent des objets astronomiques tels que des étoiles pulsantes et des supernovas qui explosent, ils voient un univers qui se développe plus rapidement, avec une constante de Hubble plus grande.
L’écart, connu sous le nom de tension de Hubble, a persisté alors même que toutes les mesures sont devenues plus précises. Certains astrophysiciens continuent de débattre de la question de savoir si la tension pourrait n’être rien de plus qu’une erreur de mesure., Mais si l’écart est réel, cela signifie qu’il manque quelque chose au modèle de l’univers des cosmologistes.
Récemment, les théoriciens ont été occupés à imaginer de nouveaux ingrédients cosmiques qui, une fois ajoutés au modèle standard, augmenteraient le taux d’expansion attendu de l’univers, le rendant conforme aux observations.
« La découverte d’anomalies est la manière fondamentale dont la science progresse”, a déclaré Avi Loeb, cosmologiste à l’Université Harvard et l’un des dizaines de chercheurs qui ont proposé des solutions à la tension de Hubble.,
Ce sont quelques-unes des meilleures idées pour ce qui pourrait accélérer l’expansion cosmique.
Matière noire en décomposition
Le modèle standard de la cosmologie intègre toutes les formes familières de matière et de rayonnement et leurs interactions. Il comprend également les substances invisibles connues sous le nom d’énergie noire et de matière noire, qui constituent ensemble environ 96% du cosmos. Parce que si peu est connu sur ces ingrédients sombres, ils sont peut-être l’endroit évident pour commencer à falsifier le modèle standard. ” C’est ce que vous avez à votre disposition pour changer le taux d’expansion de l’univers », a déclaré Loeb.,
Le modèle standard suppose que la matière noire est constituée de particules à mouvement lent qui n’interagissent pas avec la lumière. Mais que faire si nous supposons également que la matière noire n’est pas fait d’une seule substance? Étant donné qu’il existe de nombreux types de particules visibles — quarks, électrons, etc. — il peut également y avoir plusieurs particules sombres.
Dans un article publié l’été dernier dans Physical Review D, Loeb et deux collaborateurs ont envisagé une forme de matière noire qui se désintègre en une particule plus légère et une particule sans masse connue sous le nom de photon sombre., Comme de plus en plus de matière noire se décomposait avec le temps, ils raisonnaient, son attraction gravitationnelle aurait diminué, et ainsi l’expansion de l’univers aurait accéléré, soulageant la tension de Hubble.
Mais apporter de petits changements comme celui-ci au modèle cosmologique standard peut avoir des effets d’entraînement indésirables. ” Il est très facile de proposer toutes sortes de légères modifications », a déclaré Marc Kamionkowski, physicien théoricien à l’Université Johns Hopkins — mais il est difficile de le faire, a-t-il dit, sans ruiner l’ajustement parfait du modèle avec une multitude d’autres observations astronomiques.,
En faisant varier le taux de désintégration et la quantité de matière noire perdue à chaque désintégration, Loeb et ses collègues ont choisi un modèle de matière noire en décomposition qui, selon eux, est toujours en accord avec d’autres observations astronomiques. ” Si vous ajoutez cet ingrédient au modèle standard de la cosmologie, tout tient ensemble », a déclaré Loeb.
Cependant, il reste insatisfait de l’idée de la matière noire en décomposition, en partie parce qu’elle introduit deux nouvelles quantités incertaines dans les équations.,
« Dans ce cas, vous ajoutez deux paramètres libres afin de résoudre une divergence — et je suis mal à l’aise à ce sujet”, a-t-il déclaré, comparant la matière noire en décomposition aux épicycles du modèle de l’univers centré sur la Terre de Ptolémée. « Je préfère avoir deux écarts expliqués par un paramètre. »
Énergie sombre inconstante
Depuis la découverte surprise en 1998 que l’expansion de l’univers s’accélère, les cosmologistes ont inclus une énergie sombre répugnante dans leur modèle d’évolution cosmique. Mais sa nature reste un mystère., La possibilité la plus simple est que l’énergie sombre est la « constante cosmologique” — l’énergie de l’espace lui-même, avec une densité constante partout. Mais que se passe – t-il si la quantité d’énergie noire dans l’univers n’est pas constante?
Une dose supplémentaire d’énergie sombre dans l’univers primitif, surnommée énergie sombre précoce, pourrait réconcilier les valeurs contradictoires de la constante de Hubble. La pression extérieure de cette énergie sombre précoce aurait accéléré l’expansion de l’univers. ” La partie délicate est que cela ne peut pas vraiment rester; il doit disparaître rapidement », a déclaré Lisa Randall, physicienne des particules et cosmologiste à Harvard.,