L’univers pourrait être une boucle géante

Tout ce que nous pensons savoir sur la forme de l’univers pourrait être faux. Au lieu d’être plat comme un drap de lit, notre univers pourrait être incurvé, comme un ballon massif et gonflé, selon une nouvelle étude.

C’est le résultat d’un nouvel article publié aujourd’hui (4 novembre) dans la revue Nature Astronomy, qui examine les données du fond diffus cosmologique (CMB), le faible écho du Big Bang. Mais tout le monde n’est pas convaincu ; les nouveaux résultats, basés sur des données publiées en 2018, contredisent à la fois des années de sagesse conventionnelle et une autre étude récente basée sur ce même ensemble de données CMB.

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Si l’univers est courbé, selon le nouveau document, il se courbe doucement. Cette courbure lente n’est pas importante pour se déplacer dans nos vies, ou dans notre système solaire, ou même dans notre galaxie. Mais si vous voyagez au-delà de tout cela, en dehors de notre voisinage galactique, loin dans le noir profond, vous finirez – en vous déplaçant en ligne droite – par faire une boucle et vous retrouverez votre point de départ. Les cosmologistes appellent cette idée « l’univers fermé ». Elle existe depuis un certain temps, mais elle ne correspond pas aux théories existantes sur le fonctionnement de l’univers. Elle a donc été largement rejetée au profit d’un « univers plat » qui s’étend sans limite dans toutes les directions et ne tourne pas en boucle sur lui-même. Aujourd’hui, une anomalie dans les données provenant de la meilleure mesure du CMB jamais réalisée offre une preuve solide (mais pas absolument concluante) que l’univers est fermé après tout, selon les auteurs : Eleonora Di Valentino, cosmologiste de l’université de Manchester, Alessandro Melchiorri, cosmologiste de l’université Sapienza de Rome, et Joseph Silk, cosmologiste de l’université Johns Hopkins.

La différence entre un univers fermé et ouvert est un peu comme la différence entre un drap plat étiré et un ballon gonflé, a déclaré Melchiorri à Live Science. Dans les deux cas, l’ensemble est en expansion. Lorsque le drap se dilate, chaque point s’éloigne de tous les autres points en ligne droite. Lorsque le ballon est gonflé, chaque point de sa surface s’éloigne de chaque autre point, mais la courbure du ballon rend la géométrie de ce mouvement plus compliquée.

« Cela signifie, par exemple, que si vous avez deux photons et qu’ils voyagent en parallèle dans un univers fermé, ils se rencontreront », a déclaré Melchiorri.

Dans un univers ouvert et plat, les photons, laissés tranquilles, voyageraient le long de leurs parcours parallèles sans jamais interagir.

Le modèle conventionnel de l’inflation de l’univers, dit Melchiorri, suggère que l’univers devrait être plat. Remontez l’expansion de l’espace jusqu’au début, jusqu’aux premières 0,0000000000000000000000001 secondes après le Big Bang, selon ce modèle, et vous verrez un moment d’expansion exponentielle incroyable alors que l’espace s’est développé à partir de ce point infinitésimal dans lequel il a commencé. Et la physique de cette expansion ultrarapide indique que l’univers est plat. C’est la première raison pour laquelle la plupart des experts pensent que l’univers est plat, a-t-il dit. Si l’univers n’est pas plat, vous devez « affiner » la physique de ce mécanisme primordial pour que tout s’emboîte – et refaire d’innombrables autres calculs dans le processus, a déclaré Melchiorri.

Mais cela pourrait finir par être nécessaire, ont écrit les auteurs dans la nouvelle étude.

C’est parce qu’il y a une anomalie dans le CMB. Le CMB est la chose la plus ancienne que nous voyons dans l’univers, faite de la lumière micro-onde ambiante qui envahit tout l’espace lorsque vous bloquez les étoiles, les galaxies et autres interférences. C’est l’une des sources de données les plus importantes sur l’histoire et le comportement de l’univers, car elle est si ancienne et si répandue dans l’espace. Et il s’avère, selon les dernières données, qu’il y a beaucoup plus de « lentille gravitationnelle » du CMB que prévu – ce qui signifie que la gravité semble courber les micro-ondes du CMB plus que la physique existante ne peut l’expliquer.

Les données sur lesquelles l’équipe s’appuie proviennent d’une publication de 2018 de l’expérience Planck – une expérience de l’Agence spatiale européenne (ESA) visant à cartographier le CMB de manière plus détaillée que jamais. (Les nouvelles données seront publiées dans un prochain numéro de la revue Astronomy &Astrophysics et sont disponibles dès maintenant sur le site Web de l’ESA. Di Valentino et Melchiorri ont également participé à cet effort).

Pour expliquer cette lentille supplémentaire, la collaboration Planck vient d’ajouter une variable supplémentaire, que les scientifiques appellent « A_lens », au modèle de formation de l’univers du groupe. « C’est quelque chose que vous mettez là à la main, en essayant d’expliquer ce que vous voyez. Il n’y a aucun lien avec la physique », a déclaré M. Melchiorri, ce qui signifie qu’il n’y a pas de paramètre A_lens dans la théorie de la relativité d’Einstein. « Ce que nous avons trouvé, c’est que vous pouvez expliquer A_lens avec un univers positivement courbé, ce qui est une interprétation beaucoup plus physique que vous pouvez expliquer avec la relativité générale. »

Melchiorri a souligné que l’interprétation de son équipe n’est pas concluante. Selon les calculs du groupe, les données de Planck indiquent un univers fermé avec un écart-type de 3,5 sigma (une mesure statistique qui signifie une confiance d’environ 99,8% que le résultat n’est pas dû au hasard). C’est bien en deçà de la norme de 5 sigma que les physiciens recherchent habituellement avant de qualifier une idée de confirmée.

Mais certains cosmologistes ont dit qu’il y avait encore plus de raisons d’être sceptique.

Andrei Linde, un cosmologiste de l’Université de Stanford, a déclaré à Live Science que l’article de Nature Astronomy n’a pas pris en compte un autre article important, publié dans la base de données arXiv le 1er octobre. (Cet article n’a pas encore été publié dans une revue à comité de lecture.)

Dans cet article, les cosmologistes de l’université de Cambridge George Efstathiou et Steven Gratton, qui ont tous deux également travaillé sur la collaboration Planck, ont examiné un sous-ensemble de données plus restreint que l’article de Nature Astronomy. Leur analyse a également confirmé l’existence d’une courbure de l’univers, mais avec une confiance statistique bien moindre que celle de Di Valentino, Melchiorri et Silk, qui ont examiné un segment plus large des données de Planck. Cependant, lorsque Efstathiou et Graton ont examiné les données en même temps que deux autres ensembles de données existants sur l’univers primitif, ils ont constaté que, dans l’ensemble, les preuves pointaient vers un univers plat.

Interrogé sur l’article d’Efstathiou et Gratton, Melchiorri a salué le traitement minutieux du travail. Mais il a déclaré que l’analyse du duo repose sur un segment trop petit des données de Planck. Et il a souligné que leur recherche est basée sur une version modifiée (et, en théorie, améliorée) des données de Planck – et non sur l’ensemble de données publiques que plus de 600 physiciens ont passé au crible.

Linde a souligné cette réanalyse comme un signe que le papier d’Efstathiou et Gratton était basé sur de meilleures méthodes.

Efstathiou a demandé à ne pas être directement cité, mais a souligné dans un courriel à Live Science que si l’univers était courbé, cela soulèverait un certain nombre de problèmes – contredisant ces autres ensembles de données de l’univers primitif et rendant les divergences dans le taux d’expansion observé de l’univers bien pire. Gratton a dit qu’il était d’accord.

Melchiorri a également convenu que le modèle d’univers fermé soulèverait un certain nombre de problèmes pour la physique.

« Je ne veux pas dire que je crois en un univers fermé », a-t-il dit. « Je suis un peu plus neutre. Je dirais, attendons les données et ce que les nouvelles données diront. Ce que je crois, c’est qu’il y a une divergence maintenant, que nous devons être prudents et essayer de trouver ce qui produit cette divergence. »

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Originally published on Live Science.

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