Les physiciens ont déduit des indices subtils selon lesquels la mystérieuse énergie « sombre » qui pousse l’univers à s’étendre de plus en plus vite pourrait s’affaiblir légèrement avec le temps. C’est une découverte qui pourrait ébranler les fondements de la physique.

"Si c'est vrai, ce serait le premier véritable indice que nous ayons sur la nature de l'énergie noire depuis 25 ans", a déclaré Adam Ries, astrophysicien à l'Université Johns Hopkins qui a remporté le prix Nobel pour sa co-découverte de l'énergie noire en 1998.

Les nouvelles observations proviennent de l’équipe DESI (Dark Energy Spectroscopique Instrument), qui a dévoilé aujourd’hui une carte du cosmos d’une portée sans précédent, ainsi qu’une multitude de mesures dérivées de la carte. Pour de nombreux chercheurs, le point culminant est un graphique montrant que trois combinaisons différentes d’observations insinuent toutes que l’influence de l’énergie noire pourrait s’être érodée au fil des éons.

"Il est possible que nous observions des indices d'évolution d'énergie sombre", a déclaré Dillon Brout de l'Université de Boston, membre de l'équipe DESI.

Les chercheurs, à l’intérieur comme à l’extérieur de la collaboration, soulignent tous que les preuves ne sont pas suffisamment solides pour revendiquer une découverte. Les observations favorisent l’érosion de l’énergie noire avec une signification statistique moyenne qui pourrait facilement disparaître avec des données supplémentaires. Mais les chercheurs notent également que trois séries d’observations distinctes pointent toutes dans la même direction intrigante, une direction qui est en contradiction avec l’image standard de l’énergie noire en tant qu’énergie intrinsèque du vide de l’espace – la quantité qu’Albert Einstein a surnommée la « constante cosmologique ». en raison de son caractère invariable.

"C'est excitant", a déclaré Sesh Nadathur, cosmologue à l'Université de Portsmouth qui a travaillé sur l'analyse DESI. "Si l'énergie noire n'est pas une constante cosmologique, ce sera une énorme découverte."

Montée de la constante cosmologique

En 1998, le groupe de Riess, ainsi qu'une autre équipe d'astronomes dirigée par Saul Perlmutter, ont utilisé la lumière de dizaines d'étoiles lointaines et mourantes appelées supernovas pour éclairer la structure du cosmos. Ils ont découvert que l’expansion de l’univers s’accélère à mesure qu’il vieillit.

Selon la théorie générale de la relativité d’Einstein, toute matière ou énergie peut conduire à l’expansion cosmique. Mais à mesure que l’espace s’étend, tous les types familiers de matière et d’énergie deviennent moins denses à mesure qu’ils se dispersent dans un univers plus spacieux. À mesure que leurs densités diminuent, l’expansion de l’univers devrait ralentir et non s’accélérer.

Cependant, une substance qui ne se dilue pas avec l’expansion de l’espace est l’espace lui-même. Si le vide a sa propre énergie, alors à mesure que davantage de vide (et donc plus d'énergie) est créé, l'expansion s'accélèrera, tout comme l'ont observé les équipes de Riess et Perlmutter. Leur découverte de l’expansion accélérée de l’univers a révélé la présence d’une infime quantité d’énergie associée au vide de l’espace : l’énergie sombre.

Heureusement, Einstein avait envisagé une telle possibilité en développant la relativité générale. Pour empêcher la dilution de la matière de provoquer l’effondrement de l’univers, il a imaginé que tout l’espace pourrait être imprégné d’une quantité fixe d’énergie supplémentaire, représentée par le symbole Λ, appelé lambda, et appelée constante cosmologique. L’intuition d’Einstein s’est avérée erronée, car l’univers n’est pas équilibré comme il l’imaginait. Mais après la découverte en 1998 que l’espace semble tout pousser vers l’extérieur, sa constante cosmologique est revenue et a pris sa place au cœur du modèle standard actuel de la cosmologie, un ensemble d’ingrédients entrelacés appelés « modèle Lambda CDM ».

"C'est simple. C'est un numéro. Il y a une histoire que vous pouvez y attacher. C'est pourquoi on pense qu'il est constant », a déclaré Licia Vert, cosmologiste théorique et membre de la collaboration DESI.

Aujourd’hui, une nouvelle génération de cosmologistes, maniant une nouvelle génération de télescopes, pourrait bien capter les premiers murmures d’une histoire plus riche.

Cartographier les cieux

L'un de ces télescopes se trouve sur Kitt Peak en Arizona. L'équipe DESI a équipé le miroir de quatre mètres du télescope de 5,000 200,000 fibres robotiques qui pivotent automatiquement vers leurs cibles célestes. L’automatisation permet une collecte de données ultra-rapide par rapport à la précédente étude phare des galaxies, le Sloan Digital Sky Survey (SDSS), qui reposait sur des fibres similaires qui devaient être branchées à la main sur des plaques métalliques à motifs. Lors d'une récente nuit record, DESI a pu enregistrer l'emplacement de près de XNUMX XNUMX galaxies.

De mai 2021 à juin 2022, les fibres robotiques ont aspiré des photons arrivant sur Terre en provenance de différentes époques de l’histoire cosmique. Les chercheurs du DESI ont depuis transformé ces données en la carte cosmique la plus détaillée jamais réalisée. Il présente l'emplacement précis d'environ 6 millions de galaxies telles qu'elles existaient il y a environ 2 à 12 milliards d'années (sur les 13.8 milliards d'années d'histoire de l'univers). "DESI est une expérience vraiment formidable qui produit des données extraordinaires", a déclaré Riess.

Le secret de la cartographie de précision de DESI réside dans sa capacité à collecter des spectres de galaxies : des tracés riches en données enregistrant l'intensité de chaque teinte de lumière. Un spectre révèle la rapidité avec laquelle une galaxie s'éloigne de nous et donc à quelle époque de l'histoire cosmique nous la voyons (plus une galaxie s'éloigne vite, plus elle est ancienne). Cela vous permet de situer les galaxies les unes par rapport aux autres, mais pour calibrer la carte avec les distances correctes par rapport à la Terre – informations essentielles pour une reconstruction complète de l’histoire cosmique – il vous faut autre chose.

Pour la collaboration DESI, ce quelque chose était un patchwork d’ondulations de densité gelées laissées par l’univers primitif. Pendant les deux cent mille premières années qui ont suivi le Big Bang, le cosmos était une soupe chaude et épaisse composée principalement de matière et de lumière. La gravité a attiré la matière vers l'intérieur tandis que la lumière la poussait vers l'extérieur, et la lutte a déclenché des ondulations de densité s'étendant vers l'extérieur à partir d'une poignée de points denses initiaux dans la soupe. Une fois l’univers refroidi et les atomes formés, il est devenu transparent. La lumière s’est répandue vers l’extérieur, laissant les ondulations – appelées oscillations acoustiques baryoniques (BAO) – figées sur place.

Le résultat final était une série de sphères superposées avec des coquilles légèrement plus denses mesurant environ un milliard d’années-lumière de diamètre – la distance que les BAO ont eu le temps de parcourir avant de geler. Ces coquilles denses ont ensuite formé un peu plus de galaxies que d’autres endroits, et lorsque les chercheurs du DESI cartographient des millions de galaxies, ils peuvent détecter des traces de ces sphères. Les sphères plus proches semblent plus grandes que les plus éloignées, mais comme les chercheurs du DESI savent que les sphères ont toutes la même taille, ils peuvent déterminer à quelle distance se trouvent réellement les galaxies de la Terre et redimensionner la carte en conséquence.

Pour éviter d’influencer inconsciemment leurs résultats, les chercheurs ont mené une analyse « aveugle », en travaillant avec des mesures qui avaient été mélangées au hasard pour masquer tout schéma physique. Ensuite, la collaboration s'est réunie à Hawaï en décembre dernier pour déchiffrer les résultats et voir quel type de carte les fibres robotiques de Kitt Peak avaient observées.

Nadathur, qui regardait en direct sur Zoom depuis son domicile au Royaume-Uni, a ressenti un frisson lorsque la carte a été révélée, car elle semblait un peu étrange. "Si vous aviez suffisamment d'expérience avec les données BAO, vous pourriez voir qu'il faudrait quelque chose d'un peu différent du modèle standard", a déclaré Nadathur. « Je savais que Lambda CDM ne représentait pas une vision globale. »

Au cours de la semaine suivante, alors que les chercheurs parcouraient le nouvel ensemble de données, l'analysaient et le mélangeaient avec d'autres grands ensembles de données cosmologiques, ils découvrirent la source de cette étrangeté et échangèrent une série de messages Slack.

« Un de mes collègues a posté un graphique montrant cette contrainte d'énergie noire et n'a écrit aucun mot. Juste l’intrigue et un emoji à tête qui explose », a déclaré Nadathur.

Données pour les jours

DESI vise à comprendre comment l'univers s'est étendu au fil du temps en observant différents types de galaxies telles qu'elles sont apparues au cours de sept époques de l'histoire cosmologique. Ils voient ensuite dans quelle mesure ces sept instantanés correspondent à l'évolution prédite par Lambda CDM. Ils examinent également l’efficacité d’autres théories, telles que celles qui permettent à l’énergie noire de varier d’un instantané à l’autre.

Avec la seule première année de données DESI, Lambda CDM s'adapte presque aussi bien aux instantanés qu'à un modèle de matière noire variable. Ce n’est que lorsque la collaboration combine la carte DESI avec d’autres instantanés – la lumière connue sous le nom de fond diffus cosmologique et une série de trois cartes récentes de supernova – que les deux théories commencent à s’éloigner.

Ils ont constaté que les résultats variaient de 2.5, 3.5 ou 3.9 « sigmas » par rapport à la prédiction du Lambda CDM, selon celui des trois catalogues de supernova qu’ils incluaient. Imaginez que vous lancez une pièce de monnaie 100 fois. La prédiction pour une pièce équitable est de 50 face et 50 face. Si vous obtenez 60 têtes, c'est à deux sigma de la moyenne ; les chances que cela se produise par hasard (par opposition à ce que la pièce soit truquée) sont de 1 sur 20. Si vous obtenez 75 faces – ce qui a une chance sur 1 millions d'arriver de manière aléatoire – c'est un résultat cinq sigma, le l'étalon-or pour revendiquer une découverte en physique. les valeurs sigma obtenues par DESI se situent quelque part entre les deux ; il pourrait s'agir de rares fluctuations statistiques ou de preuves réelles que l'énergie noire est en train de changer.

Bien que les chercheurs trouvent ces chiffres alléchants, ils mettent également en garde contre une lecture excessive des valeurs plus élevées. L’univers est bien plus compliqué qu’une pièce de monnaie, et les significations statistiques dépendent d’hypothèses subtiles dans l’analyse des données.

Une raison plus forte d’enthousiasme est le fait que les trois catalogues de supernovas – qui couvrent des populations de supernovas quelque peu indépendantes – suggèrent que l’énergie noire varie de la même manière : sa puissance diminue ou, comme disent les cosmologistes, « dégèle ». "Lorsque nous échangeons tous ces ensembles de données complémentaires, ils ont tous tendance à converger vers ce nombre légèrement négatif", a déclaré Brout. Si l’écart était aléatoire, les ensembles de données seraient plus susceptibles d’indiquer des directions différentes.

Josué Frieman, cosmologue à l'Université de Chicago et membre de la collaboration DESI qui n'a pas travaillé sur l'analyse des données, a déclaré qu'il serait heureux de voir Lambda CDM tomber. En tant que théoricien, il a proposé des théories sur le dégel de l'énergie noire dans les années 1990 et a plus récemment cofondé le Dark Energy Survey, un projet qui recherchait les écarts par rapport au modèle standard de 2013 à 2019 et créait l'un des trois catalogues de supernova DESI. utilisé. Mais il se souvient aussi d’avoir été brûlé par la disparition d’anomalies cosmologiques dans le passé. "Ma réaction à cela est d'être intriguée", mais "jusqu'à ce que les erreurs diminuent, je ne vais pas écrire mon discours d'acceptation [du prix Nobel]", a plaisanté Frieman.

"Statistiquement parlant, cela pourrait disparaître", a déclaré Brout à propos de l'écart avec le modèle Lambda CDM. "Nous allons maintenant tout faire pour savoir si c'est le cas."

Après avoir terminé leur troisième année d'observations plus tôt cette semaine, les chercheurs du DESI s'attendent à ce que leur prochaine carte contienne près de deux fois plus de galaxies que la carte dévoilée aujourd'hui. Et maintenant qu’ils ont plus d’expérience dans l’analyse BAO, ils prévoient de publier rapidement la carte triennale mise à jour. Vient ensuite une carte sur cinq ans de 40 millions de galaxies.

Au-delà du DESI, de nombreux nouveaux instruments seront mis en ligne dans les années à venir, notamment l'observatoire Vera Rubin de 8.4 mètres au Chili, le télescope spatial romain Nancy Grace de la NASA et la mission Euclid de l'Agence spatiale européenne.

"Nos données en cosmologie ont fait d'énormes progrès au cours des 25 dernières années, et elles sont sur le point de faire de plus grands progrès", a déclaré Frieman.

À mesure qu’ils rassemblent de nouvelles observations, les chercheurs pourraient continuer à découvrir que l’énergie sombre semble aussi constante qu’elle l’a été depuis une génération. Ou encore, si la tendance se poursuit dans la direction suggérée par les résultats du DESI, elle pourrait tout changer.

Nouvelle physique

Si l’énergie noire s’affaiblit, elle ne peut pas être une constante cosmologique. Au lieu de cela, il pourrait s'agir du même type de champ qui, selon de nombreux cosmologistes, a déclenché un moment d'expansion exponentielle lors de la naissance de l'univers. Ce type de « champ scalaire » pourrait remplir l’espace d’une quantité d’énergie qui semble constante au début – comme la constante cosmologique – mais qui finit par diminuer avec le temps.

"L'idée selon laquelle l'énergie noire varie est très naturelle", a déclaré Paul Steinhardt, cosmologiste à l'Université de Princeton. Autrement, poursuit-il, « ce serait la seule forme d’énergie que nous connaissons qui soit absolument constante dans l’espace et dans le temps ».

Mais cette variabilité entraînerait un profond changement de paradigme : nous ne vivrions pas dans le vide, défini comme le état d'énergie le plus bas de l'univers. Au lieu de cela, nous habiterions un état d’énergie qui glisserait lentement vers un véritable vide. "Nous avons l'habitude de penser que nous vivons dans le vide", a déclaré Steinhardt, "mais personne ne vous l'a promis."

Le sort du cosmos dépendrait de la rapidité avec laquelle le nombre précédemment connu sous le nom de constante cosmologique décline et jusqu’où il pourrait aller. S’il atteint zéro, l’accélération cosmique s’arrêterait. S’il descend suffisamment en dessous de zéro, l’expansion de l’espace se transformerait en une lente contraction – le genre d’inversion nécessaire pour théories cycliques de la cosmologie, comme ceux développés par Steinhardt.

Les théoriciens des cordes partagent une vision similaire. Avec leur proposition selon laquelle tout se résume à la vibration des cordes, ils peuvent tisser ensemble des univers avec différents nombres de dimensions et toutes sortes de particules et de forces exotiques. Mais ils je ne peux pas construire facilement un univers qui maintient en permanence une énergie positive stable, comme notre univers semble le faire. Au lieu de cela, dans la théorie des cordes, l’énergie doit soit chuter doucement au cours de milliards d’années, soit chuter violemment jusqu’à zéro ou à une valeur négative. « Essentiellement, tous les théoriciens des cordes croient que c'est l'un ou l'autre. Nous ne savons pas lequel », a déclaré Cumrun Vafa de l'Université Harvard.

Les preuves observationnelles d’un déclin progressif de l’énergie noire seraient une aubaine pour le scénario d’une chute douce. "Ce serait génial. Ce serait la découverte la plus importante depuis la découverte de l’énergie noire elle-même », a déclaré Vafa.

Mais pour l’instant, de telles spéculations ne sont ancrées dans l’analyse DESI que de manière très vague. Les cosmologistes devront observer plusieurs millions de galaxies supplémentaires avant d’envisager sérieusement une révolution.

"Si cela persiste, cela pourrait ouvrir la voie à une nouvelle compréhension potentiellement plus profonde de l'univers", a déclaré Riess. « Les prochaines années devraient être très révélatrices. »