Surprise ! Le taux d’expansion de l’univers peut varier d’un endroit à l’autre - Avril 2020

Ces quatre amas de galaxies ont été analysés parmi des centaines d’autres dans le cadre d’une vaste enquête visant à vérifier si l’univers est le même dans toutes les directions à grande échelle. Les résultats de l’étude suggèrent que le concept d’un univers « isotrope » pourrait ne pas correspondre tout à fait. (Image : © NASA/CXC/Univ. of Bonn/K. Migkas et al.)

L’univers n’est peut-être pas le même dans toutes les directions après tout.

Le taux d’expansion de l’univers semble varier d’un endroit à l’autre, selon une nouvelle étude. Cette constatation, si elle est confirmée, obligerait les astronomes à réévaluer leur compréhension du cosmos.

L’un des piliers de la cosmologie – l’étude de l’histoire et du destin de l’univers tout entier – est que l’univers est « isotrope », c’est-à-dire identique dans toutes les directions », a déclaré l’auteur principal de l’étude, Konstantinos Migkas, de l’université de Bonn en Allemagne, dans un communiqué. « Notre travail montre qu’il peut y avoir des fissures dans ce pilier ».

L’univers est en expansion continue depuis plus de 13,8 milliards d’années, depuis le Big Bang – et à un rythme accéléré, grâce à une force mystérieuse appelée énergie noire. Des équations basées sur la théorie générale de la relativité d’Einstein suggèrent que cette expansion est isotrope à grande échelle spatiale, a écrit Migkas mardi 7 avril dans un billet de blog sur la nouvelle étude.

Les observations du fond diffus cosmologique (FDC), le rayonnement pénétrant dans l’univers laissé par le Big Bang, soutiennent cette notion, a-t-il ajouté : « Le FDC semble être isotrope, et les cosmologistes extrapolent cette propriété du tout premier univers à notre époque actuelle, près de 14 milliards d’années plus tard ».

Mais la validité de cette extrapolation n’est pas claire, a-t-il souligné, notant que l’énergie sombre a été le facteur dominant de l’évolution de l’univers au cours des 4 derniers milliards d’années environ. La nature déroutante de l’énergie noire « n’a pas encore permis aux astrophysiciens de la comprendre correctement », a écrit M. Migkas. « Par conséquent, supposer qu’elle soit isotrope est presque un acte de foi pour l’instant. Cela souligne le besoin urgent de déterminer si l’univers actuel est isotrope ou non ».

La nouvelle étude rapporte les résultats d’une de ces recherches. Migkas et ses collègues ont étudié 842 amas de galaxies, les plus grandes structures de l’univers liées à la gravité, en utilisant les données recueillies par trois télescopes spatiaux : L’observatoire à rayons X Chandra de la NASA, le satellite européen XMM-Newton et le satellite avancé pour la cosmologie et l’astrophysique, une mission conjointe nippo-américaine qui s’est terminée en 2001.

Les chercheurs ont déterminé la température de chaque amas en analysant les émissions de rayons X provenant des immenses champs de gaz chauds qui s’y trouvent. Ils ont utilisé ces informations de température pour estimer la luminosité inhérente de chaque amas de rayons X, sans avoir besoin de prendre en compte des variables cosmologiques telles que le taux d’expansion de l’univers.

Les chercheurs ont ensuite calculé la luminosité des rayons X pour chaque amas de manière différente, ce qui nécessitait de connaître l’expansion de l’univers. Ce faisant, ils ont obtenu des taux d’expansion apparents dans l’ensemble du ciel – et ces taux ne correspondaient pas partout.

« Nous avons réussi à identifier une région qui semble s’étendre plus lentement que le reste de l’univers, et une autre qui semble s’étendre plus rapidement ! a écrit Migkas dans le post du blog. Il est intéressant de noter que nos résultats concordent avec ceux de plusieurs études antérieures qui ont utilisé d’autres méthodes, à la différence que nous avons identifié cette ‘anisotropie’ dans le ciel avec un degré de confiance beaucoup plus élevé et en utilisant des objets couvrant l’ensemble du ciel de manière plus uniforme ».

Ce graphique montre une carte des taux d’expansion de l’univers dans différentes directions, estimés dans une nouvelle étude de Konstantinos Migkas et de ses collaborateurs. La carte est en coordonnées galactiques, le centre étant tourné vers le cœur de notre galaxie. Les couleurs noire et violette indiquent les directions des taux d’expansion les plus faibles (la constante de Hubble) ; le jaune et le rouge indiquent les directions des taux d’expansion les plus élevés. (Crédit image : Université de Bonn/K. Migkas et al.)

Il est possible que ce résultat ait une explication relativement prosaïque.

Par exemple, peut-être que les amas de galaxies dans les zones anormales sont fortement attirés par la gravité exercée par d’autres amas, ce qui donne l’illusion d’un taux d’expansion différent.

De tels effets sont observés à des échelles spatiales plus petites dans l’univers, ont déclaré les chercheurs. Mais la nouvelle étude sonde des amas situés jusqu’à 5 milliards d’années-lumière de distance, et il n’est pas clair si les forces d’expansion sur de telles distances peuvent être dépassées par la gravité, ont-ils ajouté.

Si les différences de taux d’expansion observées sont bien réelles, elles pourraient révéler de nouveaux détails intrigants sur le fonctionnement de l’univers. Par exemple, peut-être que l’énergie sombre elle-même varie d’un endroit à l’autre du cosmos.

« Il serait remarquable de constater que l’énergie noire a des forces différentes dans les différentes parties de l’univers », a déclaré le co-auteur de l’étude, Thomas Reiprich, également de l’université de Bonn, dans la même déclaration. « Cependant, il faudrait beaucoup plus de preuves pour écarter d’autres explications et présenter un argumentaire convaincant ».

La nouvelle étude est publiée dans le numéro d’avril 2020 de la revue Astronomy and Astrophysics. Vous pouvez la lire gratuitement sur le site de préimpression en ligne arXiv.org.

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