Une énigme des amas de galaxies confirmerait le modèle standard avec matière et énergie noire

Depuis quelques années, des discordances apparaissent entre les déterminations de paramètres et phénomènes cosmologiques issues des analyses très solides du rayonnement fossile permises par la mission Planck et certaines autres déterminations concernant, par exemple, l’accélération de l’expansion du cosmos ou ses grandes structures comme les amas de galaxies. Certaines de ces tensions entre les déterminations signalent peut-être une nouvelle physique. Toujours est-il que de récentes analyses faites par deux astrophysiciens français, Alain Blanchard et son collègue Stéphane Ilic, semblent réduire les conflits concernant les amas et pour le moins apportent une nouvelle confirmation du modèle cosmologique standard.

Au tout début du XXIe siècle, notamment avec les données fournies par les satellites WMap et Hubble où les campagnes d’observation du Sloan Digital Sky Survey (littéralement le Relevé numérique du ciel Sloan), en abrégé SDSS, la cosmologie est entrée dans l’ère de la précision. Jusqu’il y a quelques années seulement, on pouvait parler du modèle de concordance comme synonyme du modèle ΛCDM en cosmologie. On signifiait par là que toutes les mesures faites en utilisant des phénomènes et des instruments divers à des longueurs d’onde très différentes fournissaient des résultats concordants en ce qui concerne l’âge, le contenu en matière et la géométrie du cosmos observable. Elles confirmaient un modèle cosmologique désormais standard, dont l’un des pionniers n’est autre que le prix Nobel de physique James Peebles.

Rappelons que selon ce modèle, l’Univers observable serait composé à 4 % environ de matière ordinaire, à 23 % de matière noire et à 73 % d’énergie noire. Il serait âgé d’environ 13,8 milliards d’années et sa géométrie spatiale serait presque plate, voire rigoureusement plate, ce qui ne veut pas forcément dire qu’il serait infini car sa topologie pourrait être celle d’un tore en 3D. Contrairement à la surface d’une sphère, les théorèmes de la géométrie des figures, que l’on pourrait tracer sur la surface de tels tores, sont conformes à ceux de la géométrie euclidienne.

On sait qu’il existe des termes dans les solutions des équations de la relativité générale d’Einstein qui se manifestent en cosmologie comme s’il y avait de la matière noire formée de particules inconnues et une accélération du cosmos observable pouvant être produite par une énergie noire qui conduit à un effet de gravitation répulsif. Mais, personne n’est vraiment sûr de cela et nous ignorons toujours, malgré la pléthore de modèles introduits pour rendre compte de ces termes, quelle est la nature de la matière noire et de l’énergie noire.

Or, depuis quelques années, on a finalement découvert des discordances entre les mesures concernant différents aspects du modèle cosmologique standard déduit des observations du satellite Planck concernant le rayonnement fossile et ces mêmes aspects déduits de l’étude de supernovae ou des amas de galaxies.

Un modèle cosmologique standard presque parfait
Ces problèmes ont été abordés dans plusieurs articles de Futura ces dernières années, accompagnés d’interviews et de commentaires, tout dernièrement de Françoise Combes pour les 20 ans de Futura et avant cela d’Alain Blanchard, Professeur à l’Université Toulouse III-Paul Sabatier (France), chercheur à l’Irap (Institut de recherche en astrophysique et planétologie) et coauteur il y a quelques années, avec Françoise Combes, Patrick Boissé et Alain Mazure, d’un traité de cosmologie et de physique galactiques (Galaxies and Cosmology) pour étudiants en master d’astrophysique dont des exemplaires de la traduction anglaise sont encore disponibles à l’achat sur la toile.

Dans l’article publié pour l’édito de Françoise Combes, Futura expliquait qu’il portait sur un sujet qu’il était prévu d’exposer longuement depuis quelques années, à savoir l’écart entre les déterminations de l’accélération de l’expansion du cosmos observable déduites des mesures de Planck et celles des supernovae. Comme l’explique un communiqué récent de l’Université Toulouse III-Paul Sabatier, le désaccord entre les valeurs obtenues est de l’ordre de 5 à 10 %, ce qui dans le jargon des scientifiques se traduit par un décalage de presque 5 sigmas. Moins techniquement, cela signifie que les chances que l’on soit en présence d’un biais statistique des mesures sont d’environ 0,000057 %. On a affirmé l’existence du boson de Brout-Englert-Higgs à ce niveau de preuve. Mais un biais dans les méthodes de mesure reste toujours possible en cosmologie.

Il existe un second désaccord, comme l’explique toujours le communiqué, lui aussi de l’ordre de 5 à 10 %. Il concerne l’amplitude des variations de la densité de matière mesurée par Planck avec une précision de 1 à 2 % quand l’Univers était âgé de 380.000 ans et celle concernant la structuration à grande échelle de la matière avec les galaxies et les amas de galaxies regroupés dans des filaments et telle qu’on la déduit par l’observation des effets de lentilles gravitationnelles dans le cosmos au cours des quelques derniers milliards d’années. Période pendant laquelle on observe d’ailleurs aussi l’accélération de l’expansion de ce cosmos.

Précisons un peu de quoi il s’agit. Le rayonnement fossile contient d’infimes fluctuations de température indiquant des fluctuations de densité de matière noire. Les zones les plus denses s’effondraient gravitationnellement plus vite que les surdensités de matière ordinaire et vont donc en fait l’attirer en servant de germes pour la naissance des galaxies et des grandes structures. Lors des premiers milliards d’années de l’Univers observable, ce phénomène peut se décrire dans un régime dit linéaire mais il va en sortir plus tard en devenant non linéaire. C’est pour cette raison que l’on emploie des simulations numériques pour comprendre l’apparition et l’évolution des grandes structures (pour d’excellentes introductions à la théorie de la relativité et à la cosmologie qu’elle rend possible on pourra consulter deux ouvrages de Jayant Narlikar, un peu datés par certains aspects mais remarquablement intuitifs, simples et efficaces tout en conduisant aux frontières de la connaissance actuelle).

Des prédictions plus robustes et moins susceptibles d’être biaisées
On peut donc en théorie prédire les structures actuelles à partir des structures en place moins d’un million d’années après le Big Bang. Or, il semble y avoir un problème – tout comme d’ailleurs nous l’avait expliqué Alain Blanchard dans le précédent article ci-dessous – entre les prédictions issues de Planck concernant les populations des amas de galaxies et ce que l’on observe à leur sujet dans l’Univers récent. Le nombre d’amas est entre deux et quatre fois plus faible que prédit, ce qui pourrait s’expliquer, selon les mots du communiqué de l’Université de Toulouse, si l’amplitude des variations de la densité de matière était de quelque 10 % différente, là aussi un désaccord de l’ordre de 5 sigmas.

Aujourd’hui, Alain Blanchard, toujours en compagnie de son collègue Stéphane Ilic, désormais en poste au Lerma (Laboratoire d’études du rayonnement et de la matière en astrophysique et atmosphères) revient sur ces « tensions » entre les mesures concernant le modèle standard, plus précisément avec les amas de galaxies et les amplitudes des fluctuations de densité de matière dans un article en accès libre sur arXiv et désormais publié dans le réputé journal Astronomy & Astrophysics, comme l’explique donc le communiqué de l’Université de Toulouse.

Les deux astrophysiciens ont utilisé une nouvelle méthode pour analyser les dernières données fournies par l’étude des oscillations acoustiques de baryons dans le cadre de la campagne de recherche Extended Baryon Oscillation Spectroscopic Survey (eBOSS) en les combinant aux données de Planck, mais sans fixer au départ l’amplitude des fluctuations de matière et sans utiliser les lentilles gravitationnelles. Il s’agissait de réduire le nombre d’hypothèses et de biais possibles découlant de ces hypothèses pour faire des déterminations.

Le résultat final a éliminé les tensions entre les différentes déterminations de cette amplitude et il soutient l’idée que les amas de galaxies sont effectivement plus massifs que ce l’on pensait, comme l’expliquaient déjà Alain Blanchard et ses collègues.

On devrait en savoir plus sur la détermination de ces masses avec les télescopes Euclid et Vera C. Rubin Observatory Legacy Survey of Space and Time (LSST). En attendant, le modèle cosmologique standard en sort très renforcé puisqu’une tension concernant les observations des caractéristiques du cosmos observable datant de quelques milliards d’années semble éliminée et une autre en bonne voie de l’être.

Les oscillations acoustiques des baryons du Big Bang
Quelques explications sur les oscillations acoustiques des baryons (BAO pour baryon acoustic oscillations, en anglais).

Tout commence dans l’univers primitif avant la recombinaison, c’est-à-dire avant l’émission du rayonnement fossile environ 380.000 ans après la « naissance » de l’Univers observable. Avant cette recombinaison qui va donner lieu à la formation des atomes neutres, l’univers est un plasma chaud de protons, d’électrons, de photons et de neutrinos entourant des zones plus denses contenant de la matière noire. Ces zones attirent

gravitationnellement les baryons, mais le couplage entre la matière normale et la lumière produit une pression qui s’oppose à l’effondrement des baryons. Le plasma de matière normale se contente donc d’osciller avec des ondes sphériques de densité autour des zones de surdensité de matière noire. La matière normale va donc avoir tendance à se concentrer sur des coquilles sphériques. Si l’on prend l’image de petites pierres lancées dans une mare, les ondes concentriques de surface qui se chevauchent donnent une bonne représentation des ondes sphériques existant dans le cosmos observable de l’époque bien qu’il s’agisse dans cette mare d’ondes progressives et pas stationnaires.

Au moment de la recombinaison, la pression des photons disparaît, et donc aussi les oscillations acoustiques des baryons. Il existe alors une longueur caractéristique dans la taille des coquilles sphériques de matière à cette époque. La trace de ce phénomène va se retrouver plus tard dans les regroupements de galaxies dans l’Univers. En analysant ces regroupements à une date donnée de l’histoire du cosmos, on peut à la fois mesurer une échelle de distance fossile caractéristique des oscillations acoustiques des baryons et mesurer sa taille apparente.

Depuis les années 2000, les membres de la collaboration SDSS (Sloan Digital Sky Survey) utilisaient un télescope optique de 2,5 mètres de diamètre situé à l’observatoire d’Apache Point, aux États-Unis, pour dresser une carte de la répartition des galaxies autour de la Voie lactée et mesurer les décalages spectraux associés. En 2008, quatre nouvelles campagnes d’observation ont été lancées avec SDSS-III. L’une d’elles se nomme Baryon Oscillation Spectroscopic Survey (Boss) et avait précisément pour but de mesurer et caractériser de manière précise l’étalon de longueur contenu dans les oscillations acoustiques des baryons, ainsi que de relier sa taille apparente à des décalages spectraux.

L’étude des BAO apporte des renseignements et des contraintes sur l’énergie noire et la géométrie du cosmos observable.

Source : https://www.futura-sciences.com/sciences/actualites/cosmologie-enigme-amas-galaxies-confirmerait-modele-standard-matiere-energie-noire-60093/

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