Nous avons quelque chose qui ne va pas dans l'univers.
Cela pourrait être quelque chose de petit: un problème de mesure qui rend certaines étoiles plus proches ou plus éloignées qu'elles ne le sont, quelque chose que les astrophysiciens pourraient corriger en quelques ajustements sur la façon dont ils mesurent les distances à travers l'espace. Cela pourrait être quelque chose de grand: une erreur - ou une série d'erreurs - dans la cosmologie, ou notre compréhension de l'origine et de l'évolution de l'univers. Si tel est le cas, toute notre histoire de l'espace et du temps peut être foirée. Mais quel que soit le problème, il est en désaccord avec les observations clés de l'univers: mesuré dans un sens, l'univers semble se développer à un certain rythme; mesuré d'une autre manière, l'univers semble se développer à un rythme différent. Et, comme le montre un nouveau document, ces écarts se sont accrus ces dernières années, même si les mesures sont devenues plus précises.
"Nous pensons que si notre compréhension de la cosmologie est correcte, alors toutes ces différentes mesures devraient nous donner la même réponse", a déclaré Katie Mack, cosmologiste théorique à la North Carolina State University (NCSU) et co-auteur du nouvel article. .
Les deux mesures les plus célèbres fonctionnent très différemment l'une de l'autre. Le premier s'appuie sur le Cosmic Microwave Background (CMB): le rayonnement micro-ondes restant des premiers instants après le Big Bang. Les cosmologistes ont construit des modèles théoriques de toute l'histoire de l'univers sur une base CMB - des modèles auxquels ils sont très confiants, et qui nécessiteraient une toute nouvelle physique pour se briser. Et pris ensemble, dit Mack, ils produisent un nombre raisonnablement précis pour la constante de Hubble, ou H0, qui régit la vitesse à laquelle l'univers se développe actuellement.
La deuxième mesure utilise des supernovas et des étoiles clignotantes dans les galaxies voisines, connues sous le nom de Céphéides. En mesurant à quelle distance ces galaxies sont de la nôtre et à quelle vitesse elles s'éloignent de nous, les astronomes ont obtenu ce qu'ils croient être une mesure très précise de la constante de Hubble. Et cette méthode offre un H0 différent.
"Si nous obtenons des réponses différentes, cela signifie qu'il y a quelque chose que nous ne savons pas", a déclaré Mack à Live Science. "Il ne s'agit donc pas seulement de comprendre le taux d'expansion actuel de l'univers - ce qui nous intéresse - mais de comprendre comment l'univers a évolué, comment l'expansion a évolué et quel espace-temps a fait tout cela. temps."
Weikang Lin, également cosmologiste au NCSU et auteur principal de l'article, a déclaré que pour développer une image complète du problème, l'équipe a décidé de rassembler toutes les différentes façons de "contraindre" H0 en un seul endroit. Le document n'a pas encore été officiellement révisé ou publié par des pairs et est disponible sur le serveur de préimpression arXiv.
Voici ce que signifie «contraindre»: les mesures en physique donnent rarement des réponses exactes. Au lieu de cela, ils ont limité la gamme de réponses possibles. Et en examinant ces contraintes ensemble, vous pouvez en apprendre beaucoup sur quelque chose que vous étudiez. En regardant à travers un télescope, par exemple, vous pourriez apprendre qu'un point de lumière dans l'espace est rouge, jaune ou orange. Un autre pourrait vous dire qu'il est plus lumineux que la plupart des autres lumières de l'espace mais moins brillant que le soleil. Un autre pourrait vous dire qu'il se déplace dans le ciel aussi vite qu'une planète. Aucune de ces contraintes ne vous en dirait beaucoup par elles-mêmes, mais prises ensemble, elles suggèrent que vous regardez Mars.
Lin, Mack et leur troisième co-auteur, l'étudiant diplômé du NCSU Liqiang Hou, ont examiné les contraintes sur deux constantes: H0, et quelque chose appelé la "fraction de masse" de l'univers, notée Ωm, qui vous indique la quantité de l'univers est l'énergie et la quantité de matière. De nombreuses mesures de H0 contraignent également Ωm, a déclaré Lin, il est donc utile de les regarder ensemble.
Cela a produit cette intrigue colorée:
Le WMAP ovale magenta étiré WMAP est la gamme de fractions de masse et de constantes Hubble possibles qui étaient auparavant possibles sur la base d'une étude antérieure de la NASA sur le CMB, connue sous le nom de Wilkinson Microwave Anisotropy Probe. La colonne jaune intitulée CV SN (abréviation de "Cepheid-Calibulated Type-Ia Supernovae") fait référence aux mesures Cepheid-supernova, qui ne contraignent pas la fraction massique de l'univers, mais contraignent H0. La barre rouge intitulée SN P (abréviation de "Type-Ia Supernovae Pantheon") est une contrainte majeure sur la fraction massique de l'univers.
Vous pouvez voir que les bords de WMAP et CV SN se chevauchent, principalement à l'extérieur de la barre rouge. Telle était l'image de l'écart il y a quelques années, a déclaré Mack: assez important pour s'inquiéter que les deux mesures donnent des réponses différentes, mais pas assez importantes pour les rendre incompatibles avec un petit ajustement.
Mais ces dernières années, il y a eu une nouvelle mesure du CMB d'un groupe appelé Planck Collaboration. La collaboration Planck, qui a publié son dernier ensemble de données en 2018, a imposé des contraintes très strictes sur la fraction massique et le taux d'expansion de l'univers, indiqués par le ruban noir sur le graphique intitulé Planck.
Maintenant, ont écrit les auteurs, deux images très différentes de l'univers émergent. Planck et WMAP - ainsi qu'une gamme d'autres approches pour contraindre H0 et Ωm - sont tous plus ou moins compatibles. Il y a un endroit sur l'intrigue, dans le cercle de tirets blancs, où ils permettent tous des réponses similaires pour la vitesse à laquelle l'univers se développe et la quantité de matière. Vous pouvez voir que presque toutes les formes de l'intrigue passent par ce cercle.
Mais la mesure la plus directe, basée sur l'étude de l'éloignement des choses dans notre univers local et de leur vitesse de déplacement, n'est pas d'accord. La mesure de Céphéide se trouve bien à droite, et même ses barres d'erreur (les bits jaunes pâles, indiquant la plage de valeurs probables) traversent le cercle en pointillés. Et c'est un problème.
"Il y a eu beaucoup d'activité dans ce domaine au cours des derniers mois", a déclaré Risa Wechsler, cosmologiste à l'Université de Stanford qui n'était pas impliquée dans ce document. "C'est donc très agréable de voir tout résumer. Le cadrer en termes de H0 et Ωm, qui sont des paramètres fondamentaux, est vraiment clarifiant."
Pourtant, Wechsler a déclaré à Live Science, il est important de ne tirer aucune conclusion.
"Les gens sont enthousiasmés par cela, car cela pourrait signifier qu'il y a une nouvelle physique, et ce serait vraiment excitant", a-t-elle déclaré.
Il est possible que le modèle CMB soit tout simplement faux d'une manière ou d'une autre, et cela conduit à une sorte d'erreur systématique dans la façon dont les physiciens comprennent l'univers.
"Tout le monde aimerait ça. Les physiciens adorent casser leurs modèles", a déclaré Wechsler. "Mais ce modèle fonctionne assez bien jusqu'à présent, donc mon prieur est qu'il doit y avoir des preuves assez solides pour me convaincre."
L'étude montre qu'il serait difficile de faire correspondre la mesure des céphéides de l'univers local avec toutes les autres en introduisant un seul nouveau morceau de physique, a déclaré Mack.
Il est possible, a déclaré Mack, que le calcul supernovas-Cepheid soit juste faux. Peut-être que les physiciens mesurent mal les distances dans notre univers local, ce qui conduit à une erreur de calcul. Il est difficile d'imaginer ce que serait cette erreur de calcul, a-t-elle déclaré. De nombreux astrophysiciens ont mesuré les distances locales à partir de zéro et sont arrivés à des résultats similaires. Une possibilité que les auteurs ont évoquée est simplement que nous vivons dans un morceau étrange de l'univers où il y a moins de galaxies et moins de gravité, de sorte que notre quartier se développe plus rapidement que l'univers dans son ensemble.
La réponse au problème, a-t-elle dit, pourrait être proche. Mais il est plus probable que ce soit dans des années ou des décennies.
"C'est soit quelque chose de nouveau dans l'univers, soit quelque chose que nous ne comprenons pas à propos de nos mesures", a-t-elle déclaré.
Wechsler a déclaré qu'elle parierait sur ce dernier - qu'il y a probablement quelque chose qui ne va pas dans les barres d'erreur autour de certaines des mesures impliquées, et qu'une fois celles-ci résolues, l'image s'intégrera mieux.
Les mesures à venir pourraient clarifier la contradiction - soit l'expliquer, soit l'aggraver, suggérant qu'un nouveau domaine de la physique est nécessaire. Le grand télescope synoptique, qui devrait être mis en ligne en 2020, devrait trouver des centaines de millions de supernovas, ce qui devrait considérablement améliorer les ensembles de données que les astrophysiciens utilisent pour mesurer les distances entre les galaxies. Finalement, a déclaré Mack, les études sur les ondes gravitationnelles deviendront suffisamment bonnes pour limiter l'expansion de l'univers, ce qui devrait ajouter un autre niveau de précision à la cosmologie. Sur la route, a-t-elle déclaré, les physiciens pourraient même développer des instruments suffisamment sensibles pour regarder les objets s'éloigner les uns des autres en temps réel.
Mais pour le moment, les cosmologistes attendent toujours et se demandent pourquoi leurs mesures de l'univers n'ont pas de sens ensemble.
