Une vue de la Voie lactée. © Serge Brunier

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La Voie lactée serait dans un vide cosmique

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La Voie lactée et d'autres galaxies et amas de galaxies dans son voisinage feraient en réalité partie d'une région moins dense en matière que la moyenne de l'univers observable. Ce vide cosmique, comme on l'appelle, expliquerait pourquoi deux méthodes de mesures différentes de la vitesse d'expansion du cosmos ne s'accordent pas très bien.

  • L’univers observable est une sorte de mousse où se concentrent les amas et superamas de galaxies à l’échelle de quelques centaines de millions d’années-lumière, bien qu’il puisse en général être considéré comme homogène à de plus grandes échelles.
  • Des observations soutiennent l’idée que notre galaxie serait en fait dans une zone de sous-densité, donc à l’intérieur de l’équivalent d’une bulle de cette mousse. Dans le jargon des cosmologistes, c’est un vide cosmique et il serait d’un diamètre d'environ 2 milliards d’années-lumière.
  • Avec une gravité plus faible dans cette bulle, nous mesurerions une expansion de l’univers plus rapide que prévu avec les supernovas, mais ce ne serait qu’un phénomène local.

Depuis quelques décennies, les astrophysiciens sont en train de réaliser une cartographie de plus en plus précise de l'univers observable en plongeant leur regard sans cesse plus profond dans le cosmos, que ce soit avec des radiotélescopes quand ils cherchent à repérer les quasars, ou avec des télescopes opérants dans le visible comme c'est le cas avec des campagnes d'observations aussi célèbres que celle du Sloan Digital Sky Survey (SDSS).

L'image qui a émergé de ces travaux est celle d'un univers que l'on peut considérer comme un fluide homogène de galaxies à des distances supérieures à un milliard d'années-lumière environ. Mais à des échelles de quelques centaines de millions d'années-lumière, il se révèle inhomogène. Les galaxies se rassemblent alors en amas et même en superamas de galaxies, lesquels sont concentrés dans des filaments qui tissent une toile cosmique. Entre eux, des zones de sous-densité sont observées où l'on peut aussi trouver quelques amas et superamas de galaxies. Ces régions sont appelées vides cosmiques.

Ces structures sont produites par l'effondrement de la matière noire qui domine par son attraction gravitationnelle le monde des amas de galaxies. Elles sont plutôt bien reproduites par des simulations numériques menées avec des superordinateurs et traduisent même jusqu'à un certain point l'influence de l'énergie noire invoquée pour expliquer l'accélération de l'univers qui a débuté il y a quelques milliards d'années.

Un vide cosmique d'un milliard d'années-lumière de rayon

En 2013, trois astronomes, Ryan Keenan, Amy Barger et Lennox Cowie, ont publié un article sur arXiv dans lequel ils annonçaient qu'ils avaient de bonnes raisons de penser que notre Voie lactée, le groupe local de galaxies auquel elle appartient et même une partie du fameux superamas Laniakea font en fait partie d'un supervide dont le diamètre est approximativement de deux milliards d'années-lumière. Ce serait le plus grand vide cosmique connu à ce jour.

Sur cette image provenant d’une des meilleures simulations de la formation des grandes structures de l’univers, des filaments de matière noire contenant des superamas de galaxies apparaissent clairement. On note aussi la présence de grands vides que l’on appelle parfois des vides cosmiques (cosmic voids). La barre blanche indique l’échelle des distances en mégaparsecs corrigée par le facteur h lié à la constante de Hubble. On estime que h est compris entre 0,65 et 0,70, la meilleure estimation en 2014 étant de 0,68. © Max Planck Institute for Astrophysics, Millennium Simulation Project

Un communiqué de l'université du Wisconsin à Madison fait aujourd'hui savoir qu'Amy Barger et son étudiant Ben Hoscheit avaient présenté lors d'un colloque début juin 2017, les résultats de nouveaux travaux qui tendent à confirmer l'existence du vide de KBC, comme on l'appelle parfois. Surtout, ces recherches aident à résoudre une énigme qui interpelle les cosmologistes depuis quelques années.

Il est généralement admis que depuis environ une quinzaine d'années, la cosmologie est entrée dans une ère de précision et que le modèle cosmologique standard est ce qui s'appelle un modèle de concordance. Il faut entendre par là que des mesures de différents paramètres cosmologiques comme le contenu en matière noire, la courbure spatiale de l'univers, sa densité, etc., déterminés par des techniques différentes, donnent des valeurs concordantes.

Toutefois, ces valeurs sont parfois en tension ce qui veut dire que l'accord n'est pas aussi bon qu'il devrait l'être et même que l'on peut en discuter l'existence. C'est le cas avec la valeur de la constante de Hubble qui est déterminée en étudiant les supernovae SN Ia et les caractéristiques du rayonnement fossile. Comme nous l'avait expliqué l'astrophysicien Alain Blanchard, une façon de rétablir l'accord des estimations de la constante de Hubble consiste à admettre que les analyses qui sont conduites en se basant sur l'hypothèse que la constante cosmologique ne varie pas dans le temps, sont fausses. Il faudrait rejeter cette hypothèse ce qui ouvrirait alors la porte à une nouvelle physique.

Mais selon les travaux de Ben Hoscheit, une solution, du moins partielle, à ce problème serait plus prosaïque. Si nous vivons dans un vide cosmique, le champ de gravité de la matière qui s'oppose à la force de répulsion de l'énergie noire serait plus faible qu'en moyenne dans le cosmos observable et c'est pour cela que nous aurions une vitesse d'expansion locale différente de celle déduite des observations du rayonnement fossile.

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