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Cosmologie

Évolution schématique de l'Univers depuis le Big Bang. Document NASA/CXC/M.Weiss adapté par l'auteur.

Les découvertes récentes

Nous allons décrire les découvertes récentes en cosmologie en nous limitant aux sujets les plus compréhensibles, cette science étant en effet réputée pour son degré d'abstraction très élevé et réservée aux théoriciens. Nous n'aborderons pas les résultats des études purement théoriques comme les détails de la théorie inflationnaire, les modèles d'univers ou les théories spéculatives n'ayant pas été validées par des observations.

Ce domaine d'étude débordant souvent sur l'astrophysique, nous décrirons dans ce dernier et vaste dossier les découvertes relatives aux galaxies lointaines par exemple ou à l'époque de la réionisation. Les découvertes récentes en astrophysique font également l'objet d'un article séparé. Quant aux découvertes relevant de la cosmologie mais réalisées dans le domaine des particules élémentaires ou des très hautes énergies, elles sont décrites dans le dossier consacré à la physique quantique. Par conséquent, cet article contiendra peu d'actualités spécifiques à la cosmologie. On y trouvera par exemple les dernières actualités sur l'étude du rayonnement cosmologique micro-onde, la matière sombre, le modèle ΛCDM et d'autres concepts purement cosmologiques qui n'ont pas trouvé leur place dans d'autres articles.

Le DES cerne l'énergie sombre

Dans une étude publiée en 2019 dans les "Physical Review Letters" (en PDF sur arXiv), une équipe de plus de 100 chercheurs dirigée par Timothy Abbott du CTIO (Observatoire Interaméricain de Cerro Tololo) a confirmé qu'une analyse approfondie de quatre phénomènes astrophysiques différents permet d'entrevoir une meilleure compréhension de la nature de l'énergie sombre, cette force qui semble accélérer le taux d'expansion de l'univers.

Selon Abbott, la nature de l'énergie sombre "est inconnue, et comprendre ses propriétés et son origine est l'un des principaux défis de la physique moderne." En effet, sa découverte peut avoir des impacts insoupçonnés dans toute la physique. Les mesures actuelles indiquent que l’énergie sombre peut être intégrée sans bouleversement dans la théorie de la relativité générale en tant que constante cosmologique. Mais actuellement ces mesures sont loin d’être précises et intègrent un large éventail de variations potentielles. Selon Abbott, "toute déviation de cette interprétation dans l'espace ou dans le temps constituerait une découverte capitale en physique fondamentale."

Mais le problème réside dans le fait que cette énergie sombre n'est observable qu’indirectement, à travers ses effets. Ceux-ci entrent dans deux catégories. Tout d'abord, elle déforme les structures galactiques du fait de l'accélération de l'expansion de l'univers. Ensuite, elle empêche la croissance de certaines structures cosmiques. Cependant, ce n'est pas la seule force capable de produire de tels effets. Le danger est que ce qu'on mesure et supposé être la preuve d'une activité de l'énergie sombre soit en réalité autre chose.

Les méthodes actuelles de mesure de l'énergie sombre sont problématiques. Toutes se fondent sur la distribution du rayonnement cosmologique micro-onde à 2.7 K (CMB), ce rayonnement relique qui remplit l'Univers et qui fut émis seulement 380000 ans après le Big Bang. À cette époque, l'influence de l'énergie sombre était minime. Pour une raison inconnue, elle a considérablement augmenté à mesure que l'espace-temps s'est détendu de plus en plus rapidement au cours des 8 à 10 derniers milliards d'années.

Le phénomène d'accélération traduisant une différence de vitesses entre deux époques, la deuxième méthode de mesure consiste donc à observer des phénomènes de faibles décalages vers le rouge ou redshifts (Low-red z) sur de grandes distances, ce qui permet de déterminer les conditions de l'Univers à différentes époques.

Abbott et ses collègues ont remarqué qu'en combinant les deux types de mesures puis en les extrapolant dans le futur, ils avaient à leur disposition un outil puissant pour tester leurs modèles, mais il nécessitait des contraintes précises et indépendantes des expériences à faibles redshifts. Par conséquent, si les chercheurs avaient la possibilité d'améliorer la précision des mesures des faibles redshifts, cela augmenterait également la précision des calculs de l'énergie sombre, réduisant (voire augmentant) les chances qu'une physique jusque-là inconnue soit en jeu dans l'univers.

Les chercheurs ont abordé ce défi en faisant appel à une combinaison de plusieurs méthodes d'évaluation des faibles redshifts, à savoir la mesure des courbes lumineuses des supernovae de Type Ia (SNe Ia), les fluctuations de densité de la matière baryonique (BAO), les lentilles gravitationnelles pâles et les amas de galaxies. Pour ce faire, les chercheurs ont utilisé les données du sondage du Dark Energy Survey (DES), une collaboration internationale de différents instituts de recherches qui étudient les observations faites grâce au télescope Blanco de la NOAO installé au Chili.

A gauche, contraintes sur la densité d'énergie sombre actuelle ΩΛ et la densité de matière Ωm, par rapport à la densité critique, dans un modèle oCDM à courbure marginale avec une densité massique (m/v) de neutrinos. Le diagramme compare la contrainte provenant uniquement des données DES (contours noirs), y compris des informations provenant de lentilles gravitationnelles faibles, de la structure à grande échelle, des SNe Ia et du BAO photométrique (les ondes accoustiques des baryons) aux meilleures données externes disponibles (contours verts), combinant des informations provenant de Planck (CMB), des SNe Ia et du BAO spectroscopique. Le modèle plat (Ωk=0) est représenté par la ligne en pointillé et distingue les univers en accélération et en décélération séparés par la ligne noire de tirets. Les courbes de niveau orange représentent les limites de confiance de 68% et 95%. Au centre, contraintes sur l'équation d'état de l'énergie sombre w et Ωm dans un modèle wCDM à courbure fixe (Ωk=0) et une masse volumique de neutrinos marginale. Le diagramme compare les contraintes des seules données de DES (contours noirs) aux meilleures données externes disponibles (contours verts), comme dans le diagramme de gauche, mais montre également l’impact produit par l’inclusion d’un ensemble de données des faibles redshifts des SNe Ia (Low-red z) sur l'ancrage du DES SNe Ia (contours bleus). A droite, rappel des contraintes sur certains paramètres cosmologiques. Documents T.Abott et al. (2019) et A.Riess et al. (2015) adaptés par l'auteur.

En présentant la première partie des résultats de ce sondage, Abbott et ses collègues ont révélé les progrès accompli dans l'amélioration des contraintes sur la nature de l'énergie sombre. Selon les chercheurs, les conclusions du sondage DES et indépendamment de la recherche basée sur le CMB, excluent un univers dans lequel l’énergie sombre n'existe pas. De plus, les résultats suggèrent que l’univers est spatialement plat et les chercheurs ont pu déduire une contrainte plus stricte sur la densité de la matière baryonique. Selon Abbott, ces résultats contraignent l’état de "l’énergie sombre et sa densité énergétique dans l’Univers [...] avec une précision presque trois fois supérieure aux sept meilleurs résultats obtenus précédemment grâce au CMB". Ils concluent que d'autres sondages du DES devraient probablement affiner notre connaissance de l'impact de l'énergie sombre dans l'univers.

Absorption de la raie à 21 cm à z=17.2

En 2018, la communauté des cosmologistes apprit la découverte par EDGES (Experiment to Detect the Global Epoch of Reionization Signature) d'une raie d'absorption à 21 cm à z=17.2, c'est-à-dire à peine 200 millions d'années après le Big Bang, à l'époque de l'Aube Cosmique. Cette découverte majeure a été largement discutée dans la presse scientifique, populaire et divers sites Internet (cf. J.D.Bowman et al. 2018; S.Witte et al., 2018; S.S.McGauch, 2018).

Cet intérêt est tout à fait justifié car cette observation ouvre une nouvelle fenêtre sur l'Univers primordial. Non seulement, cette découverte apporte des détails sur l'Aube Cosmique, mais certains chercheurs affirment que l'intensité du signal est une indication de l'interaction entre la matière ordinaire et la matière sombre et froide, une conclusion beaucoup plus hasardeuse et très controversée. Mais avant d'explorer la question de la matière sombre, décrivons la physique du modèle cosmologique Standard FRW - c'est-à-dire sans matière sombre et froide - qui conduisit à la découverte du signal détecté par EDGES.

Dans l'état de plus faible énergie ou singulet, l'atome d'hydrogène ou plutôt son électron peut absorber un photon et sauter vers un état d'énergie légèrement excité appelé triplet qui diffère de l'état fondamental par l'arrangement du proton et des spins électroniques.

Cette transition est induite par des photons d'une longueur d'onde de 21 cm soit 1421 MHz ou de 5900 MHz. Cette réaction se produirait régulièrement durant l'Aube Cosmique lorsque les photons du rayonnement cosmologique micro-onde à 2.7 K ou CMB sont entrés en collision avec les atomes neutres présents dans l'Univers.

Le graphique présenté à droite illustre l'évolution des températures du rayonnement cosmologique micro-onde (en rouge) et de l'hydrogène (en bleu) en fonction du temps et donc du décalage Doppler (z). La température du rayonnement diminue avec le temps comme (1+z) en raison de l'expansion de l'Univers. Aujourd'hui sa température est de 2.7 K et épouse parfaitement la courbe de Planck ce qui est très significatif en termes physiques.

La température de l'hydrogène est un peu plus complexe à comprendre. Au moment de la recombinaison autour de z=1100, c'est-à-dire ~380000 ans après le Big Bang, la plupart des protons et des électrons se combinèrent pour former les premiers atomes neutres, mais une petite fraction des protons et des électrons libres survécu. Les interactions entre ces électrons et les photons du rayonnement cosmologique par diffusion Compton furent suffisamment fortes pour maintenir les deux entités, y compris l'hydrogène, à des températures identiques pendant un certain temps. Cependant, vers z=200, quelque 5 millions d'années après le Big Bang, le rayonnement cosmologique et la température de l'hydrogène se découplèrent, cette dernière diminuant ensuite beaucoup plus rapidement avec le temps, comme (1+z)2. A l'Aube Cosmique, à z~17, l'hydrogène gazeux était déjà 7 fois plus froid que le rayonnement cosmologique. Ensuite, le rayonnement émis par les premières étoiles réchauffa le gaz et l'ionisa à nouveau. C'est l'ère de la réionisation qui débuta quelque 700000 ans après le Big Bang.

La quantité directement pertinente dans le signal d'absorption à 21 cm est ce qu'on appelle la température de spin Ts, qui est une mesure du nombre relatif d'occupation des états singulet et triplet de l'hydrogène. Juste avant l'Aube Cosmique, la température de spin était égale à celle du rayonnement cosmologique; il n'y avait donc pas d'absorption ou d'émission nette de photons à la longueur d'onde de 21 cm. Cependant, les chercheurs estimaient que la lumière des premières étoiles abaissa d'abord la température de spin jusqu'à celle de l'hydrogène. Par conséquent, il devrait y avoir une absorption à 21 cm des photons du rayonnement cosmologique par l'hydrogène à l'époque comprise entre ~20 > z > ~15. Après avoir pris en compte le décalage Doppler cosmologique, les chercheurs ont prédit une baisse des fréquences radio entre 70 et 90 MHz. C'est justement ce qu'a découvert EDGES. La profondeur de cette absorption est donnée par la formule suivante :

T21= 3.6 mK (1- (Tcmb/Ts)) √ [(1+z)/18]

Comme la température de spin ne peut pas être inférieure à celle de l'hydrogène, la physique du modèle Standard prédit (TCMB/Ts) ≤ 7 T21 correspondant à une température de l'ordre de -0.2 K, c'est-à-dire une légère baisse. La surprise inattendue est que EDGES observa une baisse plus importante, T21 ~ -0.5 K, avec un niveau de confiance de 3.8σ. C'est une valeur loin des prédictions, comme si TCMB/Ts étaient d'ordre de 15.

Si le résultat de EDGES est pris au pied de la lettre, cela signifie que l'effet TCMB/Ts s'est produit durant l'Aube Cosmique et qu'il fut beaucoup plus important que prévu par le modèle Standard. Soit il y avait beaucoup plus de rayonnement photonique aux longueurs d'ondes considérées, soit l'hydrogène gazeux était beaucoup plus froid que prévu. La deuxième explication semble la plus probable. Que peut-on en déduire ?

L'hypothèse de la matière sombre et froide

Depuis quelques décennies, étant donné les problèmes du modèle Standard, la plupart des astrophysiciens et cosmologistes supportent le modèle cosmologique ΛCDM, y compris dans sa version inflationnaire qui tient compte d'une composante... inconnue, la matière sombre et froide. Mais aux dernières nouvelles, bien que les observations nous montrent les effets de cette substance sur la rotation des galaxies notamment, personne n'a observé ou détecté cette substance, rendant ce modèle très sensible aux critiques.

Dans ce contexte, quelle serait l'origine de cette absorption à 21 cm durant l'Aube Cosmique ? Dans le cadre du modèle ΛCDM, on pourrait imaginer que l'hydrogène s'est refroidi en raison d'interactions avec de la matière sombre et froide composée de particules relativement légères (inférieures au GeV). Cependant, pour un physicien cette idée est très difficile à rencontrer dans l'Univers primordial car elle exige que la section efficace de l'interaction s'élève à des milliers de barns (1 b = 10-28 m2) à l'époque concernée ! Nous sommes loin des picobarns typiques des WIMPs et de nombreux ordres de grandeurs plus élevés que la section totale proton-proton générée au LHC. Même dans les processus nucléaires, de telles valeurs sont rarement observées. De plus, il s'agit de matière sombre qui par définition interagit faiblement. De toute évidence, l'idée se heurte à toutes sortes de contraintes qui ont été laborieusement accumulées par l'observation au fil des ans.

On peut essayer de sauver cette idée par une série d'astuces hasardeuses. Si la section efficace de l'interaction est de 1/v4, où v est la vitesse relative des collisions entre la matière et les particules de matière sombre, elle pourrait être amplifiée durant l'Aube Cosmique lorsque les vitesses typiques étaient à leur minimum. Le comportement en 1/v4 n'est pas inconnu, car il est caractéristique des forces électromagnétiques dans la limite non relativiste. Ainsi, on pourrait envisager un modèle où la matière sombre porte une charge électrique très faible, un millième ou moins de celle du proton. Cette astuce permet de résoudre notre problème mais les obstacles restent énormes. En effet, la section efficace est encore assez grande pour que les matières sombre et ordinaire se couplent fortement à l'époque de la recombinaison, contrairement à ce que l'on peut conclure des observations très précises du rayonnement cosmologique micro-onde. Ce n'est donc pas la solution espérée. Par conséquent, les particules millichargées ne peuvent constituer qu'une petite fraction de la matière sombre, estimée à moins de 1%. Enfin, il faut éviter les contraintes liées à la détection directe, aux collisions et aux émissions des étoiles et des supernovae.

Notons que selon les auteurs, physiquement parlant il existe une petite région de paramètres viables autour d'une masse de 100 MeV et une charge de 10-5, mais cette hypothèse risque à terme de disparaître après analyse plus approfondie.

En guide de conclusion

L'hydrogène refroidit par de la matière sombre millichargée ne résiste pas à un examen minutieux pour expliquer l'anomalie découverte par EDGES. Cela ne veut pas dire que toutes les explications exotiques sont peu plausibles et qu'il n'existe pas de matière sombre et froide et donc de nouvelles particules ou forme d'énergie à découvrir.

De meilleurs modèles sont et seront certainement proposés, et l'un d'entre eux pourrait même être correct. Par exemple, que sait-on des implications des modèles proposant que de nouvelles particules conduisant à l'injection de photons supplémentaires à 21 cm ? Ces idées sont intéressantes et méritent une réponse.

En attendant, les futures observations devront confirmer le signal d'absorption à 21 cm et si l'amplitude et les autres caractéristiques sont conformes aux prévisions du modèle Standard. Compte tenu du nombre d'expériences concurrentes en cours de préparation, la question devrait être clarifiée dans les prochaines années.

Grâce aux modélisations modernes fondées sur des théories plus complètes et des données plus précises, si cette découverte est confirmée, elle va permettre aux chercheurs de mieux comprendre les processus qui se déroulent dans l'Univers primitif en ajoutant de nouvelles contraintes sur le nombre et les propriétés des particules hypothétiques qui auraient pu exister à cette époque. A terme, il est même possible que cette découverte aboutissent à un prix Nobel.

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