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Des doutes sur les preuves de l'énergie noire fournies par WMap

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Un groupe de cosmologistes de l'Université de Durham vient de jeter un pavé dans la mare déjà quelque peu trouble de l'énigme de l'énergie et de la matière noires. Sans démontrer leur inexistence, les deux chercheurs pointent un biais possible dans les observations de WMap rendant moins solides, selon eux, les arguments que l'on tire du rayonnement fossile en faveur de leur présence dans l'Univers.

Une image du rayonnement fossile fournie par WMap. Les cercles blancs localisent les radiosources étudiées qui apparaissent comme plus grandes qu'elles ne le sont en réalité pour les instruments de WMap, selon Shanks et Sawangwit. Crédit : Nasa-WMap-Durham University

Tom Shanks est professeur à l'Université de Durham en Grande-Bretagne et c'est un astronome spécialisé en cosmologie observationnelle. Avec un étudiant en thèse, Utane Sawangwit, il laisse entendre depuis quelque temps que les preuves de l'existence de l'énergie noire, et même de la matière noire, fournies par les observations de WMap, ne sont pas aussi solides que l'on croit.

Les deux chercheurs affirment que les instruments de WMap déforment davantage qu'on ne le pensait les images du rayonnement fossile et que les incertitudes sur les mesures qui en découlent ne permettent plus de faire pencher la balance nettement en faveur du fameux modèle de concordance, le modèle LambdaCDM, combinant matière noire, énergie noire et matière baryonique.

Selon eux, on pourrait être contraint d'en revenir à un modèle d'Univers beaucoup plus classique, celui d'Einstein-de Sitter, plat et dominé par de la matière ordinaire sans constante cosmologique.

Il y a quelques années, le cosmologiste français Alain Blanchard avait lui aussi soutenu pendant un temps qu'un modèle cosmologique de type Einstein-de Sitter, possédant donc la densité critique, mais contenant de la matière noire et de la matière ordinaire, pouvait être mis en accord avec les observations, surtout au niveau de celles fournies par les émissions des amas de galaxies dans le domaine des rayons X. Rappelons que la nucléosynthèse primordiale n'est pas du tout favorable à un Univers possédant la densité critique et ne contenant que de la matière ordinaire.

Toutefois, lorsque les nouveaux résultats concernant les distributions de galaxies fournis par le Sloan Digital Sky Survey's Luminous Red Galaxies (SDSS LRG) ont été connus, il avait changé d’avis.

La composition de l'Univers observable selon le modèle LambdaCDM. L'énergie noire (dark energy) domine la matière noire (dark matter). Crédit : Nasa

Sur quelles constatations Sawangwit et Shanks se basent-ils pour mettre en doute l'existence de l'énergie noire et même de la matière noire ?

Il faut savoir que la taille des fluctuations de températures du rayonnement fossile sur la sphère céleste peut être mise en relation avec le contenu en énergie noire et en matière noire de l'Univers observable. Les instruments de WMap avaient été calibrés à l'aide d'observations dans le domaine des micro-ondes de la planète Jupiter. Les chercheurs savaient qu'il existait un bruit instrumental inhérent aux appareils de mesures de WMap, déformant la taille des fluctuations observées. En mesurant cet effet sur les images de Jupiter, on pouvait corriger ce biais observationnel et remonter à la taille véritable de ces fluctuations.

Seulement voilà, en testant la calibration des instruments de WMap avec quelques centaines de radiosources, Shanks et Sawangwit affirment avoir découvert que l'effet de biais était plus important que prévu, minant la confiance dans les corrections effectuées et augmentant du coup la taille des erreurs de mesure à prendre en compte.

Cela ne veut pas dire que la matière noire et l'énergie noire n'existent pas, simplement que les contraintes actuelles issues des observations du rayonnement de fond diffus ne seraient pas aussi fortes que la majorité des cosmologistes le pensent, ouvrant à nouveau la porte à d'autres modèles cosmologiques.

Tom Shanks et Utane Sawangwit attirent d'autant plus l'attention sur le problème, qu'ils pensent avoir découvert dans le traitement des données de Wmap, qu'ils ont aussi récemment remis en cause les preuves de l'existence de l'énergie noire basées sur l'effet Sachs-Wolfe Intégré (ISW pour Integrated Sachs-Wolfe en anglais).

A nouveau, c'est à partir du rayonnement de fond diffus, plus précisément au niveau de ce que l'on appelle les anisotropies secondaires du rayonnement fossile, qu'une difficulté est apparue, mais pas d'ordre instrumental.

Pour la comprendre, rappelons ce qu'est l'effet Sachs-Wolfe Intégré.

Une illustration de l'effet ISW. La cuvette de potentiel devient moins profonde au cours du temps à l'intérieur d'un superamas dominé par l'énergie noire. Les photons traversant cette cuvette seront légérement décalés vers le bleu à leur sortie. A droite, on a représenté une portion de superamas en expansion. Pour plus de détails, voir le texte ci-dessous. Crédit : Nasa

Lorsqu'un photon traverse une zone où règne un champ de gravitation lié à une distribution de masses, il tombe en quelque sorte dans une cuvette d'énergie potentielle. Sa longueur d'onde est décalée vers le bleu car il gagne de l'énergie au fur et à mesure qu'il chute vers le centre de la cuvette. Inversement, lorsqu'il remonte la cuvette, sa longueur d'onde est décalée vers le rouge car il perd de l'énergie. La situation est identique à celle d'une bille gagnant de l'énergie cinétique aux dépens de l'énergie potentielle lorsqu'elle chute dans une cuvette, et en perdant lorsqu'elle en remonte la paroi.

Normalement, la conservation de l'énergie fait qu'en sortant de la cuvette de potentiel, le photon sortant a les mêmes caractéristiques que le photon entrant. Tout change dans un Univers en expansion, et surtout en expansion accélérée lorsqu'on considère un photon traversant un superamas de galaxies.

A ce niveau, de l'énergie noire peut contrecarrer l'effondrement d'un superamas ou simplement ralentir la formation de celui-ci. Dans tous les cas, la cuvette évolue au cours du temps. Elle se creuse ou au contraire devient moins profonde. Ce faisant, l'énergie d'un photon sortant ne sera pas la même que lorsqu'il est entré dans la cuvette. Lorsque qu'une structure s'effondre, le photon y perd de l'énergie et émerge donc décalé vers le rouge. Inversement, si la structure est en expansion, la cuvette devient moins profonde et le photon émerge décalé vers le bleu.

Les photons du rayonnement fossile sont bien évidemment soumis à cet effet et les caractéristiques de la dynamique des superamas, qui dépendent de la présence ou non de l'énergie noire, vont donc se retrouver codées dans les fluctuations de températures, sous la forme d'anisotropies secondaires. Plus précisément, les températures vont apparaître légèrement plus chaudes dans les régions associées à des superamas.

Or, en croisant les informations du rayonnement fossile fournies par Wmap 5 avec celles récemment obtenues avec le grand relevé de galaxies du Sloan Digital Sky Survey's Luminous Red Galaxies, Shanks, Sawangwit et d'autres chercheurs sont arrivés à la conclusion que l'effet ISW n'apparaissait pas de façon statistiquement signifiante et même que le modèle LambdaCDM n'était pas favorisé par les observations.

Ce n'est pas la première fois, que ce soit en cosmologie ou en physique, que de nouvelles mesures semblent remettre en cause un paradigme établi sans pour autant le réfuter. Quelques mois ou années après, tout rentre dans l'ordre avec de nouvelles observations et de nouvelles analyses. Il faut bien garder aussi à l'esprit que pour le moment, il s'agit essentiellement d'arguments qui affaiblissent certaines des preuves de l'existence de l'énergie noire, pas des réfutations de son existence.

Comme le dit Tom Shanks : « Le plus probable c'est que le modèle standard avec ses énigmatiques énergie et matière noires va survivre - mais d'autres tests sont nécessaires. Le satellite européen Planck, actuellement en train de collecter plus de données sur le rayonnement fossile fournira des informations vitales et nouvelles qui nous aideront à répondre aux questions fondamentales sur la nature de l'Univers dans lequel nous vivons ».

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