Des scientifiques ont examiné le rayonnement cosmique issu du Big Bang pour mettre fin à un débat de longue date sur la question de savoir si l’Univers est le même dans toutes les directions ou s’il est aligné sur une sorte d’axe de rotation.
Il s’avère que dans notre Univers en expansion rapide, il n’y a pas de direction d’expansion “préférée” : l’Univers s’étend dans toutes les directions, exactement au même rythme. Et si c’est une bonne nouvelle pour nos modèles cosmologiques actuels, c’est une mauvaise nouvelle pour les célèbres équations de champ d ‘ Einstein .
Mais avant d’aborder les nouvelles preuves, rappelons d’abord quelques informations générales.
Depuis des années, les scientifiques affirment que l’Univers peut fonctionner de deux façons : soit il est homogène et isotrope – ce qui signifie qu’il est fondamentalement le même dans toutes les directions – soit il est anisotrope, ce qui signifie qu’il peut sembler uniforme à l’extérieur, mais qu’il existe en réalité une direction “préférée” cachée au fond de ses fibres.
Pour vous faire une idée du concept d’anisotropie, prenez un cristal de diamant. Comme l’explique Adrian Cho pour le magazine Science, un cristal de diamant a une densité uniforme, mais ses atomes sont tous alignés dans des directions spécifiques.
Pensez à un morceau de bois : à part toutes les bosses et les plis superficiels à l’extérieur, il ne s’agit que d’une seule substance, un bloc de bois uniforme. Mais en réalité, il est plus solide le long du grain qu’en travers.
En d’autres termes, si un élément est anisotrope, il possède une certaine propriété physique qui a une valeur différente lorsqu’elle est mesurée dans différentes directions.
L’idée que l’Univers soit anisotrope a été proposée en réponse à certains indices selon lesquels l’Univers pourrait ne pas être aussi homogène et isotrope que nous le supposions. Mais il semble aujourd’hui que l’hypothèse d’un Univers anisotrope soit confrontée à des problèmes bien plus importants.
En 1543, Nicolas Copernic a prouvé que la Terre n’était pas le centre de l’Univers en faisant remarquer que notre planète tournait en fait autour du Soleil, et non l’inverse.
“Cette observation a donné naissance au principe de Copernic, selon lequel nous n’avons pas de place particulière dans l’Univers infini et sans centre”, explique M. Cho.
“Au début du XXe siècle, avec l’avènement de la théorie générale de la relativité d’Albert Einstein et l’observation que l’Univers est en expansion dans toutes les directions, cette idée a évolué vers le principe cosmologique, qui suppose que l’Univers est le même partout et dans toutes les directions.”
C’est une hypothèse solide et, depuis, tous les modèles cosmologiques actuels – qui expliquent le Big Bang, l’expansion de l’Univers et les proportions de tout ce qu’il contient – reposent sur l’hypothèse que l’Univers est isotrope.
Mais au cours des dix dernières années environ, certains détails ont jeté le doute sur cette idée.
Comme l’explique Cho, la matière n’est pas répartie uniformément dans l’Univers lorsque l’on se place à une petite échelle. Par exemple, les systèmes d’étoiles, les galaxies et les amas de galaxies sont éparpillés dans l’Univers sous forme d’amas aléatoires, et les scientifiques ont suggéré que cela signifie qu’une sorte de force ou de flux directionnel les a poussés en position.
“Ils supposent que cela est dû au fait que l’Univers est né sous la forme d’une soupe homogène de particules subatomiques lors du Big Bang”, explique M. Cho.
“Lorsque l’Univers a subi une poussée de croissance exponentielle appelée inflation, de minuscules fluctuations quantiques dans cette soupe se sont étendues jusqu’à atteindre des tailles gargantuesques, fournissant des variations de densité qui ensemenceraient les galaxies.”
Notre modèle standard de cosmologie est construit sur l’hypothèse que ces variations ne sont significatives qu’à une très petite échelle, et qu’elles sont insignifiantes aux plus grandes échelles. Mais que se passerait-il si l’Univers était comme un cristal de diamant, et qu’il existait une direction préférentielle intrinsèque à toute sa structure, quelle que soit la distance à laquelle on l’agrandit ?
C’est là qu’intervient l’hypothèse anisotrope, dont les arguments n’ont fait que se renforcer au début des années 2000, lorsque la sonde Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP) de la NASA a découvert d’étranges “bosses” dans le CMB que personne n’a pu expliquer.
En fait, il y a une région de notre Univers qui est si déroutante que les scientifiques l’ont littéralement appelée l’Axe du Mal – mais beaucoup l’ont rejetée comme un hasard statistique.
Pour déterminer une fois pour toutes quelle option reflète le mieux la réalité de notre Univers, des cosmologistes de l’University College London, au Royaume-Uni, ont décidé d’examiner la plus ancienne forme de rayonnement de l’Univers : le rayonnement de fond cosmologique (CMB), connu comme la “rémanence” du Big Bang.
Au lieu de chercher des déséquilibres dans le CMB comme l’Axe du Mal, ils ont essayé de trouver des preuves d’une direction préférée de l’expansion.
Comme l’a expliqué l’un des membres de l’équipe, Daniela Saadeh, à Matt Williams de Universe Today :
“Nous avons analysé la température et la polarisation du fond diffus cosmologique (CMB), un rayonnement relique du Big Bang, à l’aide des données de la mission Planck. Nous avons comparé le CMB réel avec nos prédictions sur ce qu’il serait dans un univers anisotrope.
Après cette recherche, nous avons conclu qu’il n’y a pas de preuve de ces modèles et que l’hypothèse selon laquelle l’Univers est isotrope à grande échelle est bonne.”
L’équipe a fini par estimer qu’il y a 1 chance sur 121 000 pour qu’il y ait une direction préférée de l’expansion universelle, ce qui constitue la meilleure approbation de l’hypothèse de l’Univers isotrope que nous ayons jamais eue.
“Pour la première fois, nous excluons vraiment l’anisotropie”, a déclaré Saadeh à Science Cho. “Avant, c’était seulement qu’elle n’avait pas été sondée”
Un Univers anisotrope laisserait certains motifs dans le CMB comme celui de l’image du bas, mais le CMB ressemble en fait à l’image du haut, qui est entièrement aléatoire. Crédit : (en haut) ESA et la Collaboration Planck, (en bas) D. Saadeh et. al.
Comme le souligne Universe Today, c’est un peu décevant, car un Univers qui n’est pas homogène et isotrope supporterait les seules solutions réelles que nous avons aux équations de champ d’Einstein – un ensemble de 10 équations dans sa théorie générale de la relativité qui décrivent l’interaction fondamentale de la gravitation en tant que résultat de l’espace-temps courbé par la matière et l’énergie.
Ces solutions, proposées par le mathématicien italien Luigi Bianchi à la fin du XIXe siècle, permettent d’envisager un Univers anisotrope, mais si cette hypothèse ne se vérifie pas, nous devrons probablement trouver une toute nouvelle façon d’expliquer les résultats des équations de champ d’Einstein.
Mais c’est une perspective bien moins compliquée que si les preuves démontraient massivement l’existence d’un Univers anisotrope et que nous devions repenser l’ensemble de notre modèle standard de cosmologie. Il s’agit donc d’une victoire, tout bien considéré.
“Au cours des dix dernières années, la question de savoir s’il existait des signes d’anisotropie à grande échelle dans le CMB a fait l’objet de nombreuses discussions”, a déclaré M. Saadeh.
“Si l’Univers était anisotrope, nous devrions revoir nombre de nos calculs concernant son histoire et son contenu. Les données de haute qualité de Planck nous ont offert une occasion en or d’effectuer ce bilan de santé du modèle standard de la cosmologie et la bonne nouvelle est qu’il est sûr.”
Les résultats ont été acceptés pour publication dans une prochaine édition de Physical Review Letters, et vous pouvez accéder à la version pré-imprimée sur arXiv.org.