Il y a un peu plus d'un siècle, en 1917 exactement et environ deux ans après la formulation finale de sa théorie de la relativité générale, Albert Einstein lançait la cosmologie relativiste avec un modèle où l'espace courbe se refermait sur lui-même comme une sphère à 3 dimensions.

Les équations de la relativité générale sont réputées pour être difficiles à résoudre, toutefois avec quelques hypothèses simples mais physiquement crédibles, il est possible d'avoir des solutions exactes relativement facilement. On peut s'en convaincre avec de bons cours de relativité générale et de cosmologie pour débutants comme celui de Narlikar ou encore, plus récemment, de Leonard Susskind.

Bien qu'il n'ait pas pu disposer en 1917 des observations pour soutenir l'hypothèse que le cosmos devait être une distribution homogène de galaxies, un peu comme l'est à notre échelle un fluide de molécules d'eau, Einstein l'avait pourtant postulé ainsi que l'isotropie de cette distribution de galaxies, c'est-à-dire que le cosmos devait apparaitre comme identique dans toutes les directions du regard d'un observateur et pas seulement quelque soit le lieu dans l'espace où se trouve cet observateur. On obtenait alors un modèle mathématiquement simple de l'Univers.

Dans les années qui vont suivre, de l'astronome néerlandais Willem de Sitter au mathématicien Luther Pfahler Eisenhart en passant par Georges Lemaître, des modèles de cosmologies relativistes alternatifs à celui d'Einstein vont se développer et servir de base à la théorie du Big Bang actuelle et surtout au modèle cosmologique standard reposant sur l'existence de l'énergie noire et de la matière noire.

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

L'essor extraordinaire depuis les années 1990 des observations concernant le rayonnement fossile et les distributions de galaxies et d'amas de galaxies a jusqu'ici plutôt tendu à confirmer qu'à suffisamment large échelle, l'Univers est bien un fluide de matière isotrope et homogène, bien que ce ne soit pas le cas à plus petite échelle, comme le montre l'exemple des galaxies et des amas de galaxies

Toutefois, depuis quelques années, des observations questionnent la validité du modèle cosmologique standard, aussi bien la physique derrière lui que la forme même de notre Univers observable. On peut s'en convaincre avec un article récent dans The Conversation que l'on doit à deux chercheurs, Marco Galoppo et Francesco Sylos Labini.

Voici la traduction de cet article

La cosmologie moderne repose sur une hypothèse simple : si l'on observe l'Univers à des échelles suffisamment grandes, la matière devrait y être répartie de manière uniforme, sans direction privilégiée dans le cosmos. C'est ce que l'on appelle le principe cosmologique.

Aujourd'hui, alors que de nouveaux télescopes, sur Terre comme dans l'espace -- tels que le Dark Energy Spectroscopic Instrument, DESI, et Euclid -- fournissent des cartes de l'Univers toujours plus détaillées, cette hypothèse peut enfin être véritablement testée.

Dans notre nouvel article, nous mettons en évidence des indices suggérant que la distribution des galaxies ne devient pas uniforme aux plus grandes échelles que nous pouvons actuellement sonder. En utilisant les données de DESI, nous trouvons des motifs directionnels s'étendant sur plusieurs milliards d'années-lumière.

Si nos résultats sont confirmés, ils obligeraient les physiciens à repenser certaines idées fondamentales sur l'Univers, notamment la nature de la matière noire et la manière dont la gravité façonne la matière aux plus grandes échelles.

Une fine tranche de la carte issue du relevé quinquennal Desi révèle des galaxies et des quasars situés au-dessus et au-dessous du plan de la Voie lactée. La structure à grande échelle de l'Univers est visible sur l'agrandissement. La Terre se trouve au centre des secteurs, et la zone noire indique l'endroit où notre Galaxie masque des objets lointains. La lumière des galaxies les plus éloignées représentée à 11 milliards d'années lorsqu'elle atteint la Terre. © Claire Lamman, Collaboration Desi

Un modèle qui a remarquablement bien fonctionné

Le principe cosmologique sous-tend le modèle cosmologique standard, qui fournit une sorte de recette de l'Univers : environ 5 % de matière ordinaire, 25 % de matière noire et 70 % d'énergie noire, représentée par la lettre grecque Λ. Ce modèle est connu sous le nom de modèle standard Lambda Cold Dark Matter, ou ΛCDM.

Ce modèle a connu un succès remarquable. Il décrit par exemple l'histoire de l'expansion de l'Univers, la formation des éléments légers après le Big Bang et le fond diffus cosmologique -- cette lumière ancienne émise lorsque l'Univers est devenu transparent pour la première fois -- avec une précision impressionnante.

Mais ce succès rend aussi les tensions observationnelles croissantes plus difficiles à ignorer.

Le taux d'expansion cosmique est appelé constante de Hubble, mais les estimations précises du taux d'expansion actuel de l'Univers ne concordent pas toutes. Cela a conduit à un défi très débattu pour le modèle ΛCDM : la tension de Hubble.

Les observations récentes de galaxies anciennes par le télescope James-Webb remettent également en question notre compréhension de la formation des premières structures cosmiques.

Cependant, beaucoup considèrent que l'énigme la plus déroutante est l'existence d'un dipôle anormalement grand -- une asymétrie entre « une direction et la direction opposée » dans le ciel -- dans la distribution de quasars très lointains et de radiogalaxies. Ce phénomène contraste fortement avec les prédictions du modèle ΛCDM.

Enfin, l'an dernier, les données de DESI ont remis en cause la nature même de l’énergie noire, qui pourrait ne pas être une constante comme on le suppose habituellement. Cela ébranle les fondements de la cosmologie moderne.

Une portion de la carte de la cinquième année du projet Desi, révélant la structure à grande échelle de l'Univers, créée par la gravité. Chaque point représente une galaxie. Les zones plus denses indiquent les régions où galaxies et amas de galaxies se sont regroupés pour former les filaments de la toile cosmique. On distingue également de vastes vides entre ces filaments. © Collaboration Desi et institutions membres de DESI/DOE/KPNO/NOIRLab/NSF/AURA/R. Proctor ; Traitement d'image : M. Zamani (NSF NOIRLab)

Étudier les grandes structures cosmiques

DESI est en train de construire l'une des cartes tridimensionnelles de l'Univers les plus détaillées jamais réalisées, en mesurant la position des galaxies dans le ciel ainsi que leur décalage vers le rouge, qui indique leur distance.

Notre travail pose une question simple : la distribution de la matière devient-elle réellement lisse et sans direction privilégiée aux plus grandes échelles observables ? Autrement dit, le principe cosmologique est-il confirmé par nos meilleures données ?

Pour tester cela, nous avons utilisé une technique qui mesure la probabilité de trouver une galaxie à une certaine distance et dans une direction donnée par rapport à une autre galaxie.

Nous avons effectué ce calcul pour toutes les paires de galaxies, puis nous avons moyenné le résultat.

Si les galaxies sont distribuées uniformément, les directions reliant ces paires devraient être réparties de manière homogène. Si, au contraire, les galaxies se trouvent dans de longs filaments ou dans des murs, davantage de paires devraient s'aligner selon certaines directions particulières.

Une toile cosmique persistante

En appliquant cette méthode aux galaxies observées par DESI, nous avons trouvé un signal directionnel net. Les paires de galaxies n'étaient pas orientées au hasard, mais alignées, traçant des filaments et des murs cohérents.

Cela ne serait pas surprenant si le signal s'affaiblissait aux plus grandes échelles. Or les motifs persistent sur des distances immenses, atteignant plusieurs milliards d'années-lumière dans les échantillons les plus profonds.

La toile cosmique ne semble donc pas s'estomper pour devenir une distribution uniforme et sans direction privilégiée aux plus grandes échelles que nous avons pu tester.

Même aux plus grandes échelles, l'Univers ressemble davantage à un écheveau emmêlé qu'à une brume diffuse.

Nous avons ensuite comparé les observations à des univers simulés fondés sur le modèle standard ΛCDM. La différence était frappante. Les univers simulés présentaient des motifs directionnels plus faibles et plus petits dans la distribution de la matière. Les données réelles de DESI montraient des structures plus marquées, persistant sur des distances bien plus grandes.

Ce que cela signifie

Nos résultats suggèrent que, dans le cadre du modèle standard, il n'y aurait pas eu suffisamment de temps pour que des structures aussi vastes se forment.

Si les galaxies suivent la distribution générale de la masse, y compris celle de la matière noire, alors le motif observé dans leur répartition remet en question l'hypothèse selon laquelle l'Univers devient à peu près uniforme à des échelles suffisamment grandes.

Une explication possible est que la matière noire interagit de manière complexe et inattendue, au-delà de ce que prévoient les modèles les plus simples.

Une autre possibilité est que nous ayons besoin d'une description générale plus complexe de l'Univers, qui accorde un rôle plus important aux inhomogénéités à grande échelle.

Ou bien la réponse pourrait être tout autre.

Nos résultats révèlent des structures cohérentes s'étendant sur des milliards d'années-lumière, beaucoup plus vastes que ce que prévoit le modèle cosmologique standard. Si elles sont confirmées, elles violeraient directement le principe cosmologique.

Cela suggérerait que la matière reste organisée en motifs à grande échelle sur des distances bien plus grandes qu'on ne le pense actuellement.

La prochaine étape n'est pas la spéculation, mais la mesure.

Les futures données de DESI, d'Euclid et d'autres relevés seront cruciales. Si les indices persistent, les cosmologistes devront peut-être élaborer de nouveaux modèles de formation des structures et réviser notre vision de l'Univers aux plus grandes échelles.