Vivons-nous dans un vide géant ? Cela pourrait résoudre l’énigme de l’expansion de l’univers, suggèrent des recherches

L’un des plus grands mystères de la cosmologie est la vitesse à laquelle l’univers se développe. Cela peut être prédit à l’aide du modèle standard de cosmologie, également connu sous le nom de matière noire froide Lambda (ΛCDM). Ce modèle est basé sur des observations détaillées de la lumière laissée par le Big Bang, ce qu'on appelle le fond diffus cosmologique (CMB).

L'expansion de l'univers éloigne les galaxies les unes des autres. Plus ils s’éloignent de nous, plus ils se déplacent rapidement. La relation entre la vitesse et la distance d'une galaxie est régie par la constante de Hubble, qui est d'environ 70 km par seconde par mégaparsec (une unité de longueur en astronomie). Cela signifie qu’une galaxie gagne environ 50 000 milles par heure pour chaque million d’années-lumière qui s’éloigne de nous.

Mais malheureusement pour le modèle standard, cette valeur a récemment été contestée, conduisant à ce que les scientifiques appellent la tension de Hubble. Lorsque nous mesurons le taux d’expansion à l’aide de galaxies et de supernovas (étoiles explosives) proches, il est 10 % plus élevé que lorsque nous le prédisons sur la base du CMB.

Dans notre nouvel article publié dans le Avis mensuels de la Royal Astronomical Society, nous présentons une explication possible : que nous vivons dans un vide géant dans l'espace (une zone avec une densité inférieure à la moyenne). Nous montrons que cela pourrait gonfler les mesures locales en raison des sorties de matière du vide. Des écoulements se produiraient lorsque des régions plus denses entourant un vide le sépareraient : elles exerceraient une attraction gravitationnelle plus importante que la matière de plus faible densité à l'intérieur du vide.

Dans ce scénario, nous aurions besoin d’être proches du centre d’un vide d’un rayon d’environ un milliard d’années-lumière et d’une densité d’environ 20 % inférieure à la moyenne de l’univers dans son ensemble, donc pas complètement vide.

Un vide aussi vaste et profond est inattendu dans le modèle standard et donc controversé. Le CMB donne un aperçu de la structure de l’univers naissant, suggérant que la matière devrait aujourd’hui être répartie de manière assez uniforme. Cependant, compter directement le nombre de galaxies dans différentes régions suggère effectivement que nous sommes dans un vide local.

Modifier les lois de la gravité

Nous voulions tester cette idée plus en profondeur en faisant correspondre de nombreuses observations cosmologiques différentes en supposant que nous vivons dans un grand vide issu d'une petite fluctuation de densité au début.

Pour ce faire, notre modèle n'incorpore pas le ΛCDM mais une théorie alternative appelée Modified Newtonian Dynamics (MOND).

MOND a été initialement proposé pour expliquer les anomalies dans les vitesses de rotation des galaxies, ce qui a conduit à la suggestion d'une substance invisible appelée « matière noire ». MOND suggère plutôt que les anomalies peuvent s'expliquer par la rupture de la loi de la gravité de Newton lorsque l'attraction gravitationnelle est très faible, comme c'est le cas dans les régions extérieures des galaxies.

L’histoire globale de l’expansion cosmique dans MOND serait similaire au modèle standard, mais la structure (telle que les amas de galaxies) croîtrait plus rapidement dans MOND. Notre modèle capture à quoi pourrait ressembler l'univers local dans un univers MOND. Et nous avons découvert que cela permettrait aux mesures locales du taux d’expansion actuel de fluctuer en fonction de notre emplacement.

Les récentes observations de galaxies ont permis un nouveau test crucial de notre modèle basé sur la vitesse qu'il prédit à différents endroits. Cela peut être fait en mesurant ce qu'on appelle le débit global, qui est la vitesse moyenne de la matière dans une sphère donnée, dense ou non. Cela varie en fonction du rayon de la sphère, des observations récentes montrant que cela s'étend jusqu'à un milliard d'années-lumière.

Il est intéressant de noter que le flux massif de galaxies à cette échelle a quadruplé la vitesse attendue dans le modèle standard. Elle semble également augmenter avec la taille de la région considérée, contrairement à ce que prédit le modèle standard. La probabilité que cela soit conforme au modèle standard est inférieure à un sur un million.

Cela nous a incité à voir ce que notre étude prédisait pour le flux massif. Nous avons constaté que cela correspondait assez bien aux observations. Cela nécessite que nous soyons assez proches du centre du vide, et que le vide soit le plus vide en son centre.

Affaire classée?

Nos résultats arrivent à un moment où les solutions populaires à la tension de Hubble sont en difficulté. Certains pensent que nous avons simplement besoin de mesures plus précises. D’autres pensent que le problème peut être résolu en supposant que le taux d’expansion élevé que nous mesurons localement est réellement le bon. Mais cela nécessite une légère modification de l’histoire de l’expansion dans l’univers primitif pour que le CMB semble toujours correct.

Malheureusement, une étude influente met en évidence sept problèmes liés à cette approche. Si l’univers s’était développé 10 % plus rapidement au cours de la grande majorité de l’histoire cosmique, il serait également environ 10 % plus jeune, ce qui contredirait l’âge des étoiles les plus anciennes.

L'existence d'un vide local profond et étendu dans le nombre de galaxies et les flux massifs rapides observés suggèrent fortement que la structure croît plus rapidement que prévu dans ΛCDM à des échelles de dizaines à centaines de millions d'années-lumière.

Il est intéressant de noter que nous savons que l’amas de galaxies massif El Gordo s’est formé trop tôt dans l’histoire cosmique et que sa masse et sa vitesse de collision sont trop élevées pour être compatible avec le modèle standard. Cela prouve encore une fois que la structure se forme trop lentement dans ce modèle.

Puisque la gravité est la force dominante à de si grandes échelles, nous devrons probablement étendre la théorie de la gravité d'Einstein, la relativité générale, mais uniquement à des échelles supérieures à un million d'années-lumière.

Cependant, nous n’avons aucun moyen efficace de mesurer le comportement de la gravité à des échelles beaucoup plus grandes : il n’existe pas d’objets gravitationnellement aussi énormes. Nous pouvons supposer que la Relativité Générale reste valable et comparer avec les observations, mais c’est précisément cette approche qui conduit aux très graves tensions auxquelles est actuellement confronté notre meilleur modèle de cosmologie.

On pense qu’Einstein a dit que nous ne pouvons pas résoudre les problèmes avec la même pensée qui a conduit aux problèmes en premier lieu. Même si les changements requis ne sont pas drastiques, nous pourrions bien assister à la première preuve fiable depuis plus d’un siècle de la nécessité de modifier notre théorie de la gravité.

Cet article est republié à partir de The Conversation sous une licence Creative Commons. Lisez l'article original.