Comme une ville lumineuse au milieu d'un désert aride, notre voisinage galactique est enveloppé par un vide cosmique - une énorme poche d'espace presque insondable. Récemment, des relevés du ciel ont repéré des milliers d'autres de ces bulles vacantes. Maintenant, les chercheurs ont trouvé un moyen d'extraire des informations de ces vides cosmiques : en comptant combien d'entre eux existent dans un volume d'espace, les scientifiques ont mis au point une nouvelle façon d'explorer deux des questions les plus épineuses de la cosmologie.

"C'est la toute première fois que nous utilisons des nombres vides pour extraire des informations cosmologiques", a déclaré Alice Pisani, cosmologiste à l'Université de Princeton et au Flatiron Institute et auteur d'un nouvelle préimpression décrivant le travail. "Si nous voulons repousser les limites de la science, nous devons aller au-delà de ce qui a déjà été fait."

Les chercheurs ont recherché de nouveaux outils en partie parce qu'ils ont de grands mystères à résoudre. La première, et la plus déconcertante, est la vitesse à laquelle l'univers s'étend, une valeur connue sous le nom de Constante de Hubble. Pendant plus d'une décennie, les scientifiques ont eu du mal à concilier des mesures contradictoires de ce taux, certains qualifiant même le problème de la plus grande crise de la cosmologie.

De plus, les chercheurs ont mesures contradictoires de l'agglutination de la matière cosmique - la densité moyenne des structures à grande échelle, de la matière noire, des galaxies, des gaz et des vides répartis dans l'univers en fonction du temps.

En règle générale, les astronomes mesurent ces valeurs de deux manières complémentaires. Curieusement, ces deux méthodes produisent des valeurs différentes pour la constante de Hubble et la soi-disant force de regroupement de la matière.

Dans leur nouvelle approche, Pisani et ses collègues utilisent des vides cosmiques pour estimer les deux valeurs. Et leurs premiers résultats, qui semblent s'accorder beaucoup plus étroitement avec l'une des méthodes traditionnelles qu'avec l'autre, apportent maintenant leurs propres complexités à un désaccord déjà lourd.

"La tension de Hubble a duré une décennie jusqu'à présent parce que c'est un problème difficile", a déclaré Adam Ries, un astronome de l'Université Johns Hopkins qui utilise les supernovas pour estimer la constante de Hubble. "Les problèmes évidents ont été vérifiés et les données se sont améliorées, donc le dilemme s'aggrave."

Maintenant, l'espoir est qu'étudier presque rien pourrait mener à quelque chose de grand.

Construire des bulles

Les vides sont des régions de l'espace moins denses que l'univers, en moyenne. Leurs frontières sont définies par les immenses nappes et filaments de galaxies tissés à travers le cosmos. Certains vides s'étendent sur des centaines de millions d'années-lumière et, ensemble, ces bulles représentent au moins 80 % du volume de l'univers. Pendant longtemps, cependant, personne ne leur prêta beaucoup d'attention. "J'ai commencé mes recherches en 2011 avec environ 200 vides", a déclaré Pisani. "Mais maintenant, nous en avons environ 6,000 XNUMX."

Les bulles ont tendance à se dilater car à l'intérieur, il n'y a pas beaucoup de matière pour exercer une attraction gravitationnelle vers l'intérieur. Les choses à l'extérieur d'eux ont tendance à rester à l'écart. Et toutes les galaxies qui commencent à l'intérieur d'un vide sont tirées vers l'extérieur par l'attraction gravitationnelle des structures définissant le bord d'un vide. Pour cette raison, dans un vide «il se passe très peu de choses», a déclaré Pisani. « Il n'y a pas de fusions, pas d'astrophysique compliquée. Cela les rend très faciles à gérer.

Mais la forme de chaque vide est différente, ce qui peut rendre difficile leur identification par les scientifiques. "Nous voulons nous assurer que nos vides sont robustes", a déclaré Pisani. "À quel point doit-il être vide et comment puis-je le mesurer?"

Il s'avère que la définition de "rien" dépend du type d'informations que les astronomes veulent extraire. Pisani et ses collègues ont commencé avec un outil mathématique appelé diagramme de Voronoi, qui identifie les formes qui composent une mosaïque 3D. Ces diagrammes sont généralement utilisés pour étudier des choses comme les bulles dans les mousses et les cellules dans les tissus biologiques.

Dans le travail actuel, Pisani et ses collègues ont adapté leurs pavages de Voronoi pour identifier environ 6,000 XNUMX vides dans les données d'un énorme projet de cartographie galactique appelé le Levé spectroscopique d'oscillation baryonique (CHEF).

"Les vides sont complémentaires au catalogue des galaxies", a déclaré Benjamin Wandelt, un astrophysicien de l'Université de la Sorbonne à Paris qui n'a pas participé à l'étude. "Ils sont une nouvelle façon de sonder la structure cosmique."

Une fois que Pisani et ses collègues ont eu leur carte des vides, ils ont cherché à voir ce qu'elle pouvait révéler sur l'univers en expansion.

Quelque chose de rien

Chaque vide cosmique est une fenêtre sur un grand conflit cosmique. D'un côté, il y a l'énergie noire, la force mystérieuse qui fait que notre univers s'étend toujours plus rapidement. L'énergie noire est présente même dans l'espace vide, elle domine donc la physique du vide. De l'autre côté du conflit, il y a la gravité, qui tente de rassembler le vide. Et puis l'agglutination de la matière ajoute des rides aux vides.

Pisani et ses collègues, dont Sophie Contarini de l'Université de Bologne, a modélisé comment l'expansion de l'univers affecterait le nombre de vides de différentes tailles. Dans leur modèle, qui maintenait constants une poignée d'autres paramètres cosmologiques, un taux d'expansion plus lent produisait une densité plus élevée de vides plus petits et plus froissés. D'autre part, si l'expansion était plus rapide et que la matière ne s'agglutinait pas aussi facilement, ils s'attendaient à trouver plus grands vides lisses.

Le groupe a ensuite comparé les prédictions de son modèle avec les observations de l'enquête BOSS. À partir de là, ils ont pu estimer à la fois l'agglutination et la constante de Hubble.

Ils ont ensuite juxtaposé leurs mesures avec les deux manières traditionnelles de mesurer ces valeurs. La première méthode utilise un type d'explosion cosmique appelé supernova de type Ia. La seconde s'appuie sur le fond diffus cosmologique (CMB), le rayonnement résiduel du Big Bang.

Les données sur les vides ont révélé une constante de Hubble qui variait de moins de 1 % par rapport à l'estimation du CMB. Le résultat pour l'agglutination était plus confus, mais il s'alignait également plus étroitement avec le CMB qu'avec les supernovas de type Ia.

Curieusement, les vides de l'enquête BOSS sont plus proches dans l'espace et dans le temps des supernovas de type Ia plus récentes, ce qui rend un peu surprenant que les mesures des vides s'alignent plus étroitement sur le CMB primordial. Wandelt, cependant, a suggéré que les résultats pourraient révéler une nouvelle compréhension de l'univers.

"Il y a une idée profonde qui me fait dresser les cheveux", a-t-il déclaré. À l'intérieur des vides, les structures ne se sont jamais formées et n'ont jamais évolué, de sorte que les vides "sont des capsules temporelles de l'univers primitif".

En d'autres termes, si la physique de l'univers primitif était différente de la physique d'aujourd'hui, les vides l'ont peut-être préservée.

L'avenir de l'absence

D'autres pensent qu'il est trop tôt pour tirer des conclusions des nouveaux résultats.

Même avec des milliers de vides, les barres d'erreur de l'étude sont encore trop grandes pour dire quoi que ce soit de concluant. "Cette analyse est extrêmement bien faite", a déclaré Ruth Dürer, un physicien théoricien de l'Université de Genève qui n'a pas participé à la recherche. Mais, a noté Durrer, les résultats n'ont pas encore atteint la signification statistique. "Si Alice veut faire partie du club des mesures constantes incroyablement bonnes de Hubble, elle doit atteindre la limite de 1%, ce qui est un énorme défi", a déclaré Durrer.

Pisani a déclaré qu'elle considérait le travail comme une preuve de concept. Il faudra probablement une autre décennie – et l'aide de futures missions telles que le télescope spatial Nancy Grace Roman de la NASA et l'observatoire SPHEREx – pour accumuler suffisamment de données vides pour être à égalité avec les mesures contradictoires de CMB et de supernova de type Ia.

Durrer souligne également que peut-être que ces arguments – les tentatives de réconcilier les tensions cosmiques – font beaucoup de bruit pour rien, et que les désaccords d'observation pourraient indiquer une réalité que les scientifiques ne devraient pas essayer d'effacer.

"Les groupes supernova et CMB effectuent des mesures très, très différentes", a-t-elle déclaré. "Donc, il peut y avoir une nouvelle physique qui explique pourquoi nous ne devrions pas voir la même chose."

NDLR : Alice Pisani reçoit un financement de la Fondation Simons, qui finance également ce magazine indépendant sur le plan rédactionnel. Les décisions de financement de la Fondation Simons n'ont aucune influence sur notre couverture. Plus de détails sont disponible ici.