Par Azar Khalatbari
Pour Sciences avenir
Notre Univers est-il vertical, horizontal ou circulaire ? C’est notre question de lecteur de la semaine.
Le fond diffus cosmologique représente la première lumière émise dans l’Univers, 370 000 ans après le Big Bang. On peut y “lire” la composition de l’Univers à cette époque.
ESA/PLANCK COLLABORATION
“Notre bel Univers est-il vertical, horizontal et/ou circulaire ?”, nous demande Aksil Tikjda sur la page Facebook de Sciences et Avenir. C’est notre question de la semaine. Merci à tous pour votre participation !
Un Univers que l’on a longtemps pensé plat…
Quelle est donc la forme de l’Univers ? Depuis une décennie, la réponse semblait acquise : plat. Ainsi deux rayons lumineux peuvent voyager toujours en ligne droite sans se rencontrer. Or, un article publié en 2019 dans la revue Nature Astronomy par une équipe italienne revient sur cette “platitude” qui semblait si bien intégrée dans le modèle cosmologique dominant. Il suggère que l’Univers serait sphérique et donc “fermé”, ce qui signifie qu’un rayon lumineux partant d’un point finirait par revenir à son point de départ. C’est pour l’heure une hypothèse de travail qui n’est pas encore tranchée et qui traduit le fait que les cosmologistes ne sont pas pleinement satisfaits de leur modèle.
… mais qui pourrait être sphérique !
Pour comprendre, rappelons que la théorie de la relativité générale d’Einstein a changé notre conception de l’espace et du temps : la matière courbe l’espace et la courbure de l’espace guide la lumière. C’est dans le cadre de la relativité générale que Georges Lemaître et Alexandre Friedmann, indépendamment, ont imaginé trois géométries possibles en fonction du contenu de l’Univers. Chaque géométrie est définie par une certaine courbure de l’espace, qui peut être positive, nulle ou négative. Si la densité de matière est supérieure à une certaine valeur critique – égale à 10-29g/cm3, soit 0 virgule 28 zéros suivi de 1-, alors l’espace a une courbure positive, l’Univers pourrait être représenté comme une sphère dotée d’une géométrie qui ne nous est pas familière. Par exemple la somme des angles d’un triangle y serait supérieure à 180°.
Une telle géométrie suppose un Univers fermé, parce que la lumière d’un astre finirait par revenir à son point de départ. C’est ce cas qui est aujourd’hui discuté dans l’article de Nature Astronomy. Même si depuis plus d’une décennie sur la base des données de la sonde américaine Wmap et de l’observatoire européen Planck, c’est la courbure nulle qui a la faveur des cosmologistes. Un espace à courbure nulle est la conséquence d’une densité de matière exactement égale à la densité critique. Il correspond à un Univers plat. Enfin la troisième géométrie – hyperbolique – est celle qui correspond à une densité de matière inférieure à la densité critique. Alors l’espace est hyperbolique que l’on pourrait représenter en forme de selle de cheval, et la somme des angles d’un triangle y est inférieure à 180°.
Crédits : Nature Astronomy
Les cosmologistes en plein débat
Les satellites cosmologiques Wmap, lancé en 2001, et Planck, en 2009, ont examiné en détail la première lumière de l’Univers -le fond diffus cosmologique, qui a été émise lorsque le Cosmos avait 380.000 ans. Ces missions ont tranché en faveur d’une courbure nulle de l’espace et donc un univers à géométrie plane. Cela favorise le modèle cosmologique appelé “Lambda CDM” c’est-à-dire lambda Cold Dark matter où le contenu de l’Univers est dominé à près de 70% par une énergie noire qui accélère l’expansion de l’Univers, tandis que la matière noire- aux alentours de 25% est sous forme froide, c’est-à-dire qu’elle interagit très faiblement avec la matière ordinaire. Or, au cours de ces dernières années, plusieurs observations semblent s’opposer aux prédictions de ce modèle. D’abord, théoriciens et observateurs n’ont pas la même estimation du taux d’expansion de l’Univers.
A la base de l’hypothèse détaillée dans l’article de Nature Astronomy, le fait que la lumière du fond diffus cosmologique semble déviée par une quantité de masse plus importante que celle supposée par le modèle en vigueur. Comme le soulignent les auteurs de l’article, “un Univers fermé pourrait expliquer une explication physique de cet effet.” Une conclusion qu’est venu rapidement tempérer un autre article. Les astrophysiciens George Efstathiou et Steven Gratton de l’Université de Cambridge y expliquent que l’anomalie de gravité pourrait simplement être due à un biais statistique, insistant sur le fait qu’il faut réanalyser les données avant d’abandonner le modèle d’Univers plat qui explique de nombreuses autres observations. Une chose est sûre : les cosmologistes sont en plein débat !