Les photons du rayonnement fossile, en voyageant vers nous, ont traversé la zone vide d'amas de galaxies dans la direction de la constellation de l'Eridan (Crédit : Bill Saxton, NRAO/AUI/NSF, NASA).

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Un "trou" géant dans l'univers : preuve directe de l'énergie noire ?

ActualitéClassé sous :Astronomie , rayonnement fossile , anomalie du CMB

Un milliard d'années-lumière de diamètre, c'est environ la taille d'une zone de l'Univers quasiment dépourvue de matière, que ce soit sous forme baryonique ou noire, dont les astrophysiciens viennent de confirmer l'existence. On s'en doutait déjà depuis 2004 lorsque l'analyse des fluctuations de températures du rayonnement fossile mesurées par WMAP avait révélé une anomalie dans le CMB. Les images obtenues montraient clairement une vaste zone de l'Univers plus froide que prévue. De récentes observations utilisant un réseau de radiotélescopes viennent de confirmer qu'il ne s'agissait pas d'une erreur dans le traitement des données de WMAP. La présence d'un vide d'une telle taille a stupéfié les cosmologistes, mais certains ont déjà quelques explications possibles pour l'anomalie de température: l’énergie noire !

On le sait, nous sommes entrés depuis quelques années dans l'ère de la cosmologie de précision. Les observations fournies à différentes longueurs d'ondes et portant sur des phénomènes astrophysiques et cosmologiques variés sont toutes concordantes ou presque. La quantité d'informations fournie contraint fortement les modèles cosmologiques possibles et l'on ne peut plus parler sérieusement d'épicycles lorsqu'on invoque des composantes comme la matière noire et l'énergie noire même si leur nature exacte n'est toujours pas connue. Toutefois, comme l'a fortement souligné Karl Popper, les règles du jeu de la science reposent sur le couple conjectures/réfutations. Il est donc vital de ne pas se reposer sur des certitudes absolues et de sans cesse inventer de nouveaux tests, même pour les théories qui nous semblent les plus solides. Les anomalies découvertes dans le CMB sont faibles, et même si personne ne remet sérieusement en cause le modèle standard à cause d'elles, on ne saurait les négliger, ne serait-ce que parce qu'elles nous signalent probablement de nouvelles perspectives dans la structure des modèles cosmologique décrivant l'Univers, et peut-être aussi, sur la physique les gouvernant.

Les faits

Le « cold spot » découvert dans les images de WMAP a évidemment tout de suite posé de multiples questions. Il faut savoir en effet que les informations enregistrées par la sonde ne donnent pas directement accès au rayonnement fossile. Il faut tenir compte de différents avant-plans à modéliser pour les soustraire du signal mesuré, comme le rayonnement radio de notre propre Galaxie, l'absorption par la poussière interstellaire etc....sans parler des algorithmes et méthodes pour traiter le signal lui-même. Cette énorme fluctuation de température ne résultait-elle pas d'une erreur dans ce processus d'analyse si complexe ?

Et si non, comment expliquer une telle observation. On connaît bien sûr des vides importants dans la répartition des galaxies et de la matière noire, mais aucune observation ni aucune simulation numérique ne laissaient penser qu'une sous-densité pareille de matière sur une échelle aussi vaste pouvait se produire vraiment dans l'Univers. En tous cas, le phénomène devait être si peu fréquent que la probabilité de l'observer était très faible.
Toutefois, dans ce dernier cas, la première question à se poser était la suivante : cette étonnante anisotropie de température correspondait-elle à un phénomène déjà bien développé au moment de la recombinaison, 380 000 ans après le Big Bang, ou s'agissait-il de quelque chose de plus tardif ?

En tout état de cause, il fallait s'assurer d'abord de la réalité des observations.

C'est ce qui vient d'être fait en utilisant  NRAO VLA Sky Survey (NVSS) une campagne d'observation effectuée grâce aux radiotélescopes du Very Large Array (VLA) faisant partie du National Radio Astronomy Observatory (NRAO).

Dans un article récemment publié, Lawrence Rudnick de l'University of Minnesota, en collaboration avec Shea Brown et Liliya R. Williams ont annoncé qu'il y avait bien un grand vide dans la distribution des galaxies en direction de la constellation de l'Eridan, précisément à l'endroit ou WMAP le situe. Les mesures indiquent que celui-ci est situé à une distance comprise entre 6 et 10 milliards d'années-lumière. Il ne s'agit donc ni d'un artefact du traitement des données du CMB, ni d'un éventuel effet lié à notre environnement immédiat dans la Galaxie.

A gauche le "point froid" découvert par WMAP en bleu. A droite, et toujours en bleue le déficit en radio-galaxies découvert avec le VLA, la corrélation est évidente (Crédit : Rudnick et al., NRAO/AUI/NSF, NASA).

La théorie

Physiquement, cette observation se traduit par une anisotropie de la densité de matière dans l'Univers : celui-ci n'apparaît pas pareil selon la direction des observations effectuées. L'interprétation la plus simple qui vient à l'esprit et de l'expliquer par une solution cosmologique anisotrope. De fait, de telles solutions sont connues et font partie de ce qu'on appelle les espaces homogènes et anisotropes en 3 dimensions classifiés par Bianchi. On a bien sûr étudié certaines des conséquences observationnelles de ces modèles depuis longtemps. Il semble probable que ces solutions soient importantes pour décrire les tous premiers instants du cosmos mais, au moins depuis la première seconde après la naissance de notre Univers observables, celui-ci doit être isotrope à une excellente approximation, sans quoi on entre en conflit avec la nucléosynthèse de l'hélium. La situation a été réexaminée récemment, elle permettrait bien d'expliquer non seulement cette anomalie du CMB et d'autres mais, le moins que l'on puisse dire, est qu'il y a assez peu d'espoir que ce soit bien la bonne solution car l'on entre alors là aussi en conflit de façon sérieuse avec d'autres observations.

L'explication la plus probable est celle déjà avancée en 2006 par Inoue et Silk. Elle fait intervenir ce qu'on appelle l'effet Sachs-Wolfe Intégré (ISW en anglais).

Le rayonnement fossile est perturbé par l'interposition des amas de galaxies entre sa "zone d'émission" et nous (Crédit : Albert Stebbins).

Lorsque des photons du rayonnement fossile pénètrent dans une zone, comme un super-amas de galaxies, la chute dans le puits de potentiel gravitationnel de celui-ci va décaler leur fréquence vers le bleu, mais à la sortie, l'effet d'attraction va produire un effet de décalage vers le rouge. Au final, à part des distorsions dans la trajectoire des rayons lumineux associés aux photons, leur fréquence n'a pas changé.

Il n'en sera pas de même si le puits de potentiel change pendant le temps de la traversée des photons, comme c'est le cas à cette échelle dans un Univers en expansion. Selon la nature de ce changement, un décalage vers le rouge ou vers le bleu correspondant à une modification effective de la température du CMB se produira.

Selon la façon dont le puits de potentiel gravitationnel se creuse ou se résorbe on a un décalage spectrale différent, c'est l'effet ISW (Crédit : Wayne Hu).

Dans le cadre d'un Univers dominé par la constante cosmologique, les calculs prédisent alors qu'en pénétrant dans une zone presque dépourvue de matière un effet du type de celui qui est observé avec le « cold spot » de WMAP peut se produire. Ce ne serait pas le cas sans énergie noire, l'anomalie découverte n'en serait alors pas vraiment une mais au contraire une preuve directe de plus de l'existence d'une énergie noire dans l'Univers. Reste tout de même le problème de la taille du vide observé.

Normalement, plus une zone vide est grande, moins sa formation est probable, et d'après les estimations  basées sur les observations déjà effectuées, ce vide reste malgré tout quelque peu énigmatique car selon certains calculs leur probabilité de formation est vraiment très très faible.

On en saura peut-être plus avec une amélioration du comptage du nombre de vides à grande échelle et avec les futures observations de Planck dans les années à venir.

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