On sait que pendant des décennies les astronomes avaient constaté une anomalie dans le comportement de Mercure sur son orbite autour du Soleil. On pouvait en rendre compte en postulant, comme le célèbre découvreur de Neptune Urbain Le Verrier l'avait fait en 1859 en postulant l'existence d'une planète plus proche du Soleil que Mercure.  Sa gravitation perturbait le mouvement de Mercure au point que le mouvement de son périhélie subissait une très légère avance de 43 secondes d'arc par siècle.

Mais Vulcain, comme on l'appelait alors, restait introuvable et ce n'est finalement qu'avec la théorie de la relativité générale d’Einstein que l'on a pu rendre compte de l'écart entre les prédictions du calcul des perturbations gravitationnelles tenant compte de la gravité des planètes du Système solaire et les mouvements observés de Mercure.

Le prix Nobel de physique Adam Riess nous parle de la tension de Hubble. 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 ». © NASA's Goddard Space Flight Center

On peut se demander ce qui se cache derrière la fameuse tension de Hubble en cosmologie. Faudra-t-il faire intervenir une nouvelle physique révolutionnaire, par exemple la relativité intriquée, ou simplement mieux appliquer celle déjà connue ?

Futura a consacré ces dernières années plusieurs articles à cette question où le rôle et la nature de l'énergie noire et de la fameuse constante cosmologique d’Einstein interviennent.

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Nous reprenons aujourd'hui un article de The Conversation, où trois chercheurs évoquent une solution possible au désaccord entre les déterminations de la vitesse d'expansion de l'Univers observable tirée notamment des études sur les supernovas menées par le prix Nobel de physique Adam Riess et ses collègues d'une part et, d'autre part, la détermination faite en étudiant les données concernant le fameux rayonnement fossile et que l'on doit à la mission Planck.

Les trois chercheurs auteurs du texte qui va suivre sont :

• Levon Pogosian : professeur de physique, Université Simon Fraser.
• Karsten Jedamzik : chercheur en cosmologie, Université de Montpellier.
• Tom Abel : professeur de physique des particules et d'astrophysique, Département de physique, Université Stanford.

Il est bien établi que l'Univers est en expansion, mais la vitesse de cette expansion fait l'objet de sérieux désaccords parmi les scientifiques.

Deux de nos meilleurs moyens de mesurer ce taux d'expansion, la constante de Hubble, donnent des résultats obstinément contradictoires. Ceci pose un problème majeur en cosmologie moderne, connu sous le nom de tension de Hubble.

Nous nous sommes alors demandé si une idée initialement proposée pour résoudre un autre mystère cosmique - l'origine des champs magnétiques cosmiques - pourrait nous aider à percer le mystère de la tension de Hubble.

Nos recherches, récemment publiées, explorent la possibilité que des champs magnétiques extrêmement faibles, vestiges des premiers instants après le Big Bang, puissent nous éclairer sur la tension de Hubble, tout en offrant un aperçu de la physique à des énergies bien au-delà de ce qui est accessible sur Terre.

La constante de Hubble et la tension de Hubble

Les astronomes utilisent la constante de Hubble pour mesurer la vitesse d'expansion de l'Univers. Elle porte le nom de l'astronome américain Edwin Hubble, qui a découvert l'expansion de l'Univers.

Il existe deux approches conceptuellement différentes pour mesurer la constante de Hubble. La première méthode est indirecte et repose sur les prédictions de notre modèle cosmologique, ajusté pour correspondre aux variations du fond diffus cosmologique, la faible lueur résiduelle du Big Bang.

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 ». Le mystère de la mesure de la constante de Hubble : le professeur Wendy Freedman explique. © Université de Chicago

Des télescopes comme le télescope spatial Planck ont ​​mesuré d'infimes fluctuations de cette lumière primordiale, prédisant une constante de Hubble d'environ 67 kilomètres par seconde par mégaparsec (km/s/Mpc). Un parsec est une unité de distance utilisée en astronomie, égale à environ 3,26 années-lumière, soit 30,9 billions de kilomètres. Un mégaparsec équivaut à un million de parsecs.

La seconde méthode est plus directe, semblable à celle utilisée par Hubble dans les années 1920 lorsqu'il a démontré pour la première fois l'expansion de l'Univers. Elle mesure la vitesse d'éloignement des galaxies lointaines par rapport à notre galaxie, la Voie lactée, en observant la luminosité des explosions de supernovae dans ces galaxies.

Les supernovae de type Ia sont connues pour être des « chandelles standard », car leur luminosité est constante, quel que soit leur emplacement. Cela signifie que nous pouvons estimer leur distance en fonction de leur luminosité apparente.

Pour déterminer leur luminosité intrinsèque, les astronomes utilisent d'autres chandelles standard, comme les étoiles Céphéides, dans les galaxies voisines. Ces observations, réalisées grâce aux télescopes spatiaux Hubble et James-Webb, donnent une valeur plus élevée, d'environ 73 km/s/Mpc.

Cette différence entre les deux mesures est appelée tension de Hubble. L'écart entre 67 et 73 peut sembler faible, mais il est statistiquement très significatif. Si les deux méthodes sont correctes, alors notre modèle cosmologique standard présente une lacune importante.

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 ». © NASA’s Goddard Space Flight Center

D'où proviennent les champs magnétiques cosmiques ?

Les champs magnétiques sont omniprésents dans l'Univers. Les planètes et les étoiles génèrent leurs propres champs, mais des lacunes apparaissent dans notre compréhension lorsqu'il s'agit d'expliquer les champs magnétiques à l'échelle beaucoup plus vaste qui traversent les galaxies et les amas, et peut-être même les vides cosmiques.

Une hypothèse étudiée depuis longtemps est que le magnétisme serait apparu dans l'univers primordial, bien avant la formation des premières étoiles et galaxies. Ces champs magnétiques dits primordiaux sont étudiés depuis des décennies, et la recherche de leurs traces dans le fond diffus cosmologique et d'autres données offre un moyen d'explorer l'univers primordial et les énergies extrêmes qui auraient généré ces champs.

En 2011, deux d'entre nous (Karsten et Tom) avons souligné que les champs magnétiques primordiaux auraient influencé la recombinaison - lorsque les électrons et les protons se sont combinés pour la première fois pour former de l'hydrogène neutre - et que l'Univers est passé d'opaque à transparent. La première lumière capable de se propager librement à partir de ce moment est ce que nous observons aujourd'hui comme le fond diffus cosmologique.

S'ils existent, les champs magnétiques primordiaux accéléreraient la recombinaison en exerçant des forces d'attraction et de répulsion sur les particules chargées, rendant la matière légèrement grumeleuse. Là où les particules sont plus denses, elles sont plus susceptibles de se rencontrer et de former de l'hydrogène.

Déplacer le moment où l'Univers devient transparent modifie la taille des motifs observés dans le fond diffus cosmologique. Cela modifie en réalité l'unité de mesure des distances cosmiques et, par conséquent, la valeur de la constante de Hubble déduite du modèle, contribuant ainsi à atténuer la tension de Hubble. Deux d'entre nous (Karsten et Levon) avons démontré cet effet en 2020 à l'aide d'un modèle simplifié de recombinaison.

Depuis 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

Une avancée majeure : nos découvertes

Dans notre nouvelle publication, nous avons utilisé les premières simulations tridimensionnelles complètes du plasma primordial avec des champs magnétiques intégrés, afin de suivre la formation de l'hydrogène.

Nous avons utilisé l'historique de formation de l'hydrogène, tel qu'il ressort de ces simulations, pour calculer des prédictions sur l'apparence du fond diffus cosmologique en présence de champs magnétiques primordiaux, et nous avons confronté ces prédictions aux observations du fond diffus.

Le fond diffus cosmologique est extrêmement sensible aux variations de recombinaison. Si les champs magnétiques primordiaux le modifiaient d'une manière incompatible avec les observations, cette hypothèse pourrait être invalidée. Or, les données ont montré que notre proposition reste plausible. Sur de multiples combinaisons d'ensembles de données, nous observons une légère préférence constante pour les champs magnétiques primordiaux, avec une amplitude comprise entre 1,5 et 3 écarts-types environ. Il ne s'agit pas encore d'une découverte, mais d'un indice significatif de leur existence.

De même, les intensités de champ privilégiées par les données, de l'ordre de 5 à 10 pico-gauss aujourd'hui, sont proches de celles nécessaires pour que les champs magnétiques des galaxies et des amas proviennent uniquement de germes primordiaux. Un pico-gauss est une unité de mesure de l'intensité des champs magnétiques.

Outre leur contribution à l'atténuation de la tension de Hubble, la confirmation de l'existence de champs magnétiques primordiaux ouvrirait une nouvelle perspective sur l'Univers à ses débuts, offrant peut-être un aperçu d'événements majeurs tels que le Big Bang.

Nos résultats montrent que cette hypothèse résiste aux tests les plus précis actuellement disponibles et définissent des cibles claires pour les observations futures. Au cours des prochaines années, nous déterminerons si de minuscules champs magnétiques datant des origines de l'Univers ont contribué à façonner l'Univers tel que nous le connaissons aujourd'hui et s'ils détiennent la clé de la résolution de la tension de Hubble.

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