Une vue d'artiste du satellite Planck. © ESA, ESO, STECF, Wolfram Freudling-Esa, AOES Medialab
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Une énigme des amas de galaxies confirmerait le modèle standard avec matière et énergie noire

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[EN VIDÉO] Les 20 ans de Futura avec Françoise Combes  2021 c'est l'année des 20 ans de Futura ! À cette grande occasion, nous avons demandé à nos parrains de s'exprimer sur le sujet... Françoise Combes s'est notamment prêtée à l'exercice et nous livre son analyse d'astrophysicienne sur le passé, mais aussi sur les 20 prochaines années. 

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.

Depuis environ 13,8 milliards d’années, l’Univers n’a cessé d’évoluer. Contrairement à ce que nous disent nos yeux lorsque l’on contemple le ciel, ce qui le compose est loin d’être statique. Les physiciens disposent des observations à différents âges de l’Univers et réalisent des simulations dans lesquelles ils rejouent sa formation et son évolution. Il semblerait que la matière noire ait joué un grand rôle depuis le début de l’Univers jusqu’à la formation des grandes structures observées aujourd’hui. © CEA Recherche

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).

Conférence donnée le 10 mars 2020 par Alain Blanchard, chercheur à l'Institut de recherche en astrophysique et planétologie dans le cadre des Grands séminaires de l'Observatoire Midi-Pyrénées. © Observatoire Midi-Pyrénées

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 baryoniques (BAO pour baryon acoustic oscillations, en anglais) dans l'univers primitif sont des ondes sonores qui se propageaient alors dans l'univers primitif, comme des vaguelettes dans un étang. Elles ont laissé des empreintes dans les fluctuations de température du rayonnement traduisant des fluctuations de densité. Ces fluctuations ont évolué pour former aujourd’hui les murs et les vides observés dans la répartition des galaxies. L’image d’artiste, ci-dessus, illustre les traces des BAO dans le rayonnement fossile et la répartition des galaxies en amas. © Chris Blake et Sam Moorfield

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.

Invisible à l'œil nu, notre ciel nocturne est constellé de centaines de milliards de galaxies qui remplissent l'Univers connu. Comme les étoiles, ces galaxies forment des constellations – des motifs cachés faisant écho aux réverbérations de la matière et de la lumière, à une époque bien antérieure à la formation des galaxies. Ce sont les oscillations acoustiques des baryons, qui portent peut-être en elles la clé pour comprendre la nature de l'énergie noire. Pour obtenir une traduction en français assez fidèle, cliquez sur le rectangle blanc en bas à droite. Les sous-titres en anglais devraient alors apparaître. Cliquez ensuite sur l'écrou à droite du rectangle, puis sur « Sous-titres » et enfin sur « Traduire automatiquement ». Choisissez « Français ». © PBS Space Time

Pour en savoir plus

D'après Planck et l'effet SZ, il manque des amas de galaxies

Article de Laurent Sacco publié le 28/10/2015

Le catalogue des amas de galaxies dressé grâce aux observations de Planck montre qu'il y a moins d'amas dans l'univers observable que n'en prédit le modèle cosmologique standard. Pour expliquer ces observations sans remettre en cause les abondances de matière et d'énergie noires, il semble qu'il faille supposer que les amas soient plus massifs qu'on ne le pensait. Mais l'origine de cette masse supplémentaire est énigmatique...

Il y a deux ans, alors que Futura-Sciences interrogeait Alain Blanchard (Irap), sur le nouveau modèle d'énergie noire qu'il venait d'introduire avec ses collègues Arnaud Dupays (LCAR) et Brahim Lamine (LKB), le cosmologiste était revenu sur ses travaux précédents concernant les abondances de matière noire dans les amas de galaxies. Pendant un temps, cela l'avait conduit à douter de l'existence de l'énergie noire avant qu'il ne change d'avis. Alain Blanchard nous avait confié : « je crois toujours qu'il y a un problème avec les amas de galaxies. D'ailleurs, si les dernières observations de Planck concernant les amas au moyen de l'effet Sunyaev-Zel'dovich sont bel et bien compatibles avec l'existence de l'énergie noire, elles confirment aussi qu'il y a quelque chose que nous ne comprenons pas bien ».

Avec ses collègues Stéphane Ilic, du Centre de Physique Théorique, CPT (CNRS, Université Aix-Marseille, Université de Toulon) et Marian Douspis, IAS (CNRS, Université Paris-Sud, Cnes) le chercheur est récemment revenu sur cette question dans un article déposé sur  arxiv. Pour comprendre le travail des cosmologistes, il faut connaître un célèbre effet découvert par deux grands cosmologistes russes, d'abord théoriquement à la fin des années 1960, puis observé en 1983 : l'effet Sunyaev-Zel'dovich (SZ).

Yakov Borisovich Zel'dovich était l'un des plus grands noms de la physique et de la cosmologie du XXe siècle. Ses contributions sont innombrables dans des domaines aussi divers que l'adsorption et la catalyse, les ondes de choc, la physique nucléaire, la physique des particules, l'astrophysique, la cosmologie et la relativité générale. Stephen Hawking lui avait avoué lors de son premier voyage en ex-URSS : « Avant de vous avoir rencontré, je pensais que vous étiez un auteur collectif, comme Bourbaki ». Quant à Rashid Alievitch Sunyaev, qui fut l'un des collaborateurs de Zel'dovich, il s'est vu attribuer il y a quelques années le célèbre prix Crafoord.

Sunyaev et Zel'dovich ont compris qu'un gaz d'électrons chauds, comme il en existe dans bien des situations astrophysiques, devait faire subir aux photons du rayonnement fossile un effet Compton inverse. Ce rayonnement possède un spectre de corps noir, caractérisé par une relation précise entre la fréquence et l'intensité du rayonnement.

L'effet Sunyaev-Zel'dovich sur le rayonnement du rayonnement de fond diffus est visualisé sur ce schéma montrant en ordonnées son intensité (Intensity) en fonction de sa fréquence (Frequency) et de sa longueur d'onde (Wavelength) en abscisses. La courbe initiale de corps noir du rayonnement fossile (tiretée) est distordue et déplacée vers les hautes fréquences, pour donner l'intensité du rayonnement de fond diffus en traits pleins. © Annu. Rev. Astron. Astrophys.

Qu'est-ce que l'effet Sunyaev-Zel'dovich ?

En subissant des collisions (l'effet Compton) avec les électrons énergétiques d'un plasma chaud, les photons sont portés à des énergies plus élevées, ce qui se traduit par un déficit de photons de basses énergies dans le spectre du rayonnement fossile et, corrélativement, par un excès de photons de plus hautes énergies. La courbe du spectre du corps noir du rayonnement de fond diffus apparaît donc comme distordue et décalée vers les hautes fréquences, comme le montre le schéma ci-dessus.

Dans les amas de galaxies existe un gaz d'électrons chauds, porté à des températures de plusieurs millions de kelvins. Ce gaz rayonne copieusement dans le domaine des rayons X, rendant possible la détection des amas de galaxies à l'échelle cosmologique, notamment par des satellites comme Rosat, Chandra et XMM Newton. Sa présence permet de repérer et même de mesurer une forte composante de matière noire au sein d'un amas. Sans elle et la gravité qu'elle génère, le gaz de matière normale, trop chaud, se serait échappé.

Une vidéo sur la mission Planck et le rayonnement fossile. © Planck HFI

Un outil pour la cosmologie

L'effet SZ a été observé au niveau des amas de galaxies. Il peut servir à observer leur distribution à grandes distances et à évaluer différents paramètres cosmologiques, comme la constante de Hubble, la densité de matière dans l'univers observable, etc. Avec son extraordinaire capacité à observer et mesurer le rayonnement fossile, le satellite Planck est un outil tout désigné pour repérer des amas de galaxies en détectant dans ce rayonnement un effet SZ. C'est bien ce qu'il a permis de faire. Les membres de la collaboration Planck ont finalement publié en février 2015 un impressionnant catalogue contenant 1.653 candidats au titre d'amas de galaxies mis en évidence par effet SZ (voir le site de Planck HFI). C'est le plus grand catalogue d'amas détectés par effet Sunyaev-Zel'dovich à ce jour et 1.093 sources ont été déjà confirmées par d'autres observations indépendantes.

Le modèle cosmologique standard, qui contient des proportions définies de matière noire et d'énergie noire, permet de comprendre dans les grandes lignes la formation des amas de galaxies. Ils naissent à partir de fluctuations de densité primordiales lisibles, par exemple, dans les variations de température du rayonnement fossile. La connaissance de ces fluctuations permet d'évaluer ensuite théoriquement l'abondance d'amas de galaxies dans l'univers observable grâce aux observations de Planck. Les mesures de Planck via l'effet SZ permettent également ensuite de mesurer cette abondance et de vérifier si les observations collent aux prédictions du modèle standard.

La masse des amas revue à la hausse

Surprise, la quantité d'amas est en fait 3 à 4 fois moins importante que ce que prédit la théorie. Pour conserver le modèle standard et ses abondances de matière noire et d'énergie noire, il faut admettre que les amas, qui se rassemblent dans des structures plus vastes formant des filaments, contiennent environ 70 % de masse supplémentaire. Or, pour la majorité des cosmologistes spécialistes de l'observation des amas, cela est peu crédible (voir, de nouveau, le site de Planck HFI).

Alain Blanchard, Marian Douspis et Stéphane Ilic se sont attaqués à ce problème en revisitant les estimations des masses des amas à partir du rayonnement X qu'ils émettent. Là encore, le modèle standard peut s'accorder avec les observations si l'on suppose que les amas contiennent 70 % de masse en plus. Mais il se pourrait que cet accord ne soit en fait que de façade. Il faudrait faire intervenir des nouvelles idées et peut-être même de la nouvelle physique pour rendre compte de façon cohérente des ces observations, par exemple en postulant l'existence de neutrinos massifs.

Avant d'en arriver là, il faudra peut-être attendre une nouvelle estimation de la masse des amas qui soit beaucoup plus précise et plus robuste. Le futur satellite de l'Esa, Euclid, devrait permettre de telles mesures en utilisant un autre aspect de l'héritage de la relativité générale d'Einstein : l'effet de lentille gravitationnelle.

En tout état de cause, la situation est très précisément la suivante comme l'a expliqué à Futura-Sciences Alain Blanchard : « C'est un des rares resultats de Planck qui "pose question". Soit les masses des amas ont été correctement estimées par les observateurs et alors il faut revoir le modèle standard, par exemple en ajoutant des neutrinos massifs, soit les masses sont plus grandes et tout rentre dans l'ordre. Il y a donc deux tendances chez les cosmologistes : ceux qui ont confiance dans les estimations antérieures de masse des amas et qui sont prêts à revoir le modèle (la publication XX de la collaboration Planck en 2013 est un peu dans cet esprit) et ceux qui croient au modèle standard, pensant qu'il faut revoir les estimations de masse des amas (ce qui est l'esprit de la publication Planck 2013 XVI) ».

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