samedi 8 mai 2021

Observations de 3 horizons non causals dans le fond diffus cosmologique

[COSMOLOGIE] Un duo de théoriciens espagnols pense avoir trouvé une preuve observationnelle d'une violation du principe cosmologique d'anisotropie. Ils montrent l'existence de trois régions distinctes dans le fond diffus cosmologique, trois "horizons", qui ont des paramètres cosmologiques différents. De tels horizons non causals sont prédits par un modèle récent qui fournirait par ailleurs une explication à l'accélération de l'expansion et résoudrait facilement la tension sur le paramètre de Hubble-Lemaître H0. Une étude parue dans Monthly Notices of the Royal Astronomical Society.

Le principe de l'anisotropie est un principe fondamental qui est adopté en cosmologie et qui fonde le modèle cosmologique standard. Il énonce que l'Univers est similaire dans toutes les directions aux grandes échelles. Et les grandes structures cosmiques (amas de galaxies et superamas) sont issues des infimes fluctuations de densité (ou température) qui existaient au moment du découplage matière-rayonnement 380 000 ans après le Big Bang, ce qu'on appelle le fond diffus cosmologique (CMB en anglais). Le CMB doit donc être lui-même isotrope aux grandes échelles (au delà des fluctuations de densité primordiales), c'est à dire dans des directions très différentes du ciel. Or, le CMB, lorsque l'on le regarde sur des zones de directions très différentes avec des régions assez grandes pour lisser les fluctuations locales, n'apparaît pas tout à fait isotrope, ce qui peut aussi d'ailleurs se voir dans les grandes structures cosmiques dans l'Univers plus évolué. 
Un exemple bien connu de ce type d'anisotropie dans le CMB est la présence d'une zone assez grande qui est dénommée le 'cold spot', une région dont la température est nettement plus froide que le reste du ciel, et dont la taille dépasse largement celle des fluctuations de densités classiques produites lors de la phase inflationnaire de l'Univers. Ces signes d'anisotropie sont pudiquement appelés des "anomalies" dans le jargon des cosmologistes.
L'origine de la légère anisotropie du CMB (car elle n'est effectivement pas très prononcée) et d'autres mesures statistiques d'anisotropie aux plus grandes échelles de l'univers est une question ouverte de longue date en cosmologie. Pablo Fosalba et Enrique Gaztañaga (CSIC/Institut d'Etudes Spatiales de Barcelone) ont attaqué cette question en analysant les données de fluctuations de température qui ont été mesurées par le satellite Planck sur le CMB. Les deux chercheurs ont eu l'idée de découper le ciel en de multiples zones, ni trop petites (qui ne verraient que les fluctuations primordiales) ni trop grandes (qui ne verraient que des valeurs moyennées sur de grandes régions), avec plusieurs tailles. Et ils ont calculé à chaque fois les différents paramètres du modèle cosmologique dans chacune de ces régions, comme si il s'agissait du ciel entier. Ils peuvent ainsi construire une carte, non pas des températures du CMB, mais une carte des 5 paramètres cosmologiques cruciaux, que sont Ωc, Ωb, H0, ns et As (la densité de matière noire, la densité de matière baryonique, la constante de Hubble-Lemaitre, l'indice spectral, et l'amplitude du spectre de puissance). Les autres paramètres du modèle cosmologique ΛCDM sont fixés aux valeurs suivantes : τ = 0,0522, Σmν = 0,06 eV, Neff = 3,04 et r = 0.
Ce que voient les deux chercheurs en faisant ça, c'est que pour une certaine échelle, trois grandes zones circulaires apparaissent, avec chacune sa propre liste de valeurs cohérentes entre elles pour les paramètres cosmologiques, mais différentes d'une zone à l'autre ! En prenant tous les paramètres ensemble, la probabilité qu'il puisse s'agir d'une fluctuation statistique (un hasard) est de 10-9 ... 
Fosalba et Gaztañaga appellent ces zones des "horizons". Ils les dénomment H1, H2 et H3. Chacun de ces horizons à une taille circulaire moyenne (taille angulaire) comprise entre 40° pour le plus petit (H3)  et 70° pour le plus grand (H2). 
Sur la carte en longitude et en latitude du CMB, les trois horizons sont centrés respectivement sur les coordonnées suivantes : 
H1 : 345°; 15°
H2 : 240°; -5°
H3 : 150°; -50°
Pour tester plus avant la robustesse de ce qu'ils trouvent, les chercheurs sont allés chercher les données de WMAP, le satellite précédent qui avait cartographié le CMB 15 ans avant Planck, avec une moins bonne résolution et des données traitées d'une autre manière que celles de Planck. En se limitant aux mêmes échelles, Fosalba et Gaztañaga trouvent des résultats cohérents avec ce qu'ils trouvent dans les données les plus récentes, quoique un peu moins précis, ce qui est dû à la moins bonne qualité des données de WMAP.


Les deux théoriciens soutiennent que ces régions qui apparaissent bien définies dans les cartes des paramètres cosmologiques peuvent refléter des horizons finis et causalement disjoints dans l'Univers observable. En particulier, ils montrent que la relation qui est observée entre la taille d'un horizon donné et la densité moyenne associée à la constante cosmologique dans l'horizon est en très bon accord avec les prédictions d'un modèle d'Univers qui a récemment été proposé (en 2020) par Gaztañaga et qu'il a appelé le modèle des Univers Trous Noirs (Black Hole Universes, ou BHU). Une telle relation entre taille d'horizon et densité d'"énergie noire" Λ est une prédiction clé du modèle car testable par l'observation.
Le modèle développé par Gaztañaga en 2020 repose sur l'existence d'un ou plusieurs horizons non causals dans l'Univers observable. Ces "bulles" d'Univers n'auraient pas été liées causalement entre elles, ce qui se traduit par des paramètres cosmologiques différents. Il permet en outre d'expliquer l'accélération de l'expansion actuelle et pourquoi la densité d'"énergie noire" est du même ordre de grandeur que celle de la matière noire (la fameuse question cosmologique "why now ?"). Les densités d'"énergie noire" Λ que Fosalba et Gaztañaga mesurent valent environ 0,8 en moyenne pour les horizons H1 et H3 (qui ont une taille respective de 60° et 40°) et 0,6 pour H2 (70°).
Le modèle BHU explique également très facilement les tensions sur les mesures de la constante de Hubble-Lemaitre entre le CMB et l'Univers local, via l'anisotropie inhérente à l'existence d'horizons causalement disjoints dans notre univers observable. En effet, ici les trois horizons H1, H2 et Hmontrent une valeur de H0 qui varie sensiblement de l'un à l'autre. C'est d'ailleurs le paramètre cosmologique qui varie le plus parmi les 5 : 
H: H0 =76,7 ± 5,4 km/s/Mpc
H2 : H0 =61,3 ± 2,6 km/s/Mpc
H: H0 =75,8 ± 2,2 km/s/Mpc

Et bien évidemment, quand les deux chercheurs font cette détermination de Hsur tout le ciel cette fois-ci, ils retrouvent une valeur très proche de celle obtenue par la collaboration Planck (obtenue sur tout le ciel) :  H0 = 67,5  km/s/Mpc... 
Rappelons que la tension forte qui existe actuellement sur la constante de Hubble-Lemaitre vient du fait que des mesures "locales" à partir de mesures de distances et de vitesses, trouvent une valeur de l'ordre de 73,2 km/s/Mpc, en désaccord flagrant avec la valeur obtenue par la collaboration Planck de 67,4  km/s/Mpc. Si il existait bel et bien plusieurs horizons non causals dans l'Univers observable, qui serait donc anisotrope, divisé en plusieurs "bulles", on peut facilement penser qu'il serait tout à fait normal de ne pas trouver localement  la valeur de H0 qui est obtenue via le CMB avec une valeur moyennée sur la totalité du ciel.

En lien avec à la découverte potentielle de trois zones distinctes sans corrélations entre elles, Fosalba et Gaztañaga montrent que dans le CMB, plus généralement, la corrélation entre deux points séparés angulairement par un angle théta devient nulle pour des angles supérieurs à environ 65° (ce qui correspond à la taille de leurs plus grands horizons). Or le modèle ΛCDM ajusté sur les données de Planck ne donne pas un tel comportement, mais toujours une corrélation non-nulle jusqu'à 180°, alors que le modèle BHU prédit justement une valeur de l'ordre de 60° (pour Λ ≃ 0,7) à partir de laquelle la fonction de corrélation dans le CMB doit devenir nulle ! Bien que le premier article décrivant le modèle BHU soit paru très récemment, en avril 2020 dans Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, les auteurs (dont l'un des deux est l'auteur du modèle) précisent que cette présente analyse du CMB n'avait pas encore été faite à ce moment là. 

Pour les deux chercheurs, il apparaît très difficile d'expliquer les anisotropies observées par des effets systématiques ou d'autres signaux non-cosmologiques. Ils précisent aussi que leurs résultats indiquent que les mêmes lois physiques doivent s'appliquer dans les différents horizons. 
De nouvelles analyses pourraient être effectuées en incluant les données de polarisation du CMB, qui n'ont pas été utilisées ici et qui pourraient montrer d'autres évidences d'anisotropie dans les paramètres cosmologiques selon eux (d'après des études antérieures).

En résumé, il y a un an, le théoricien espagnol Enrique Gaztañaga publiait un modèle cosmologique, raffiné au début 2021, qu'il a nommé BHU (Black Hole Universes), dans lequel peuvent exister plusieurs horizons décorrélés dans l'Univers observable (et qui explique que notre Univers dans les frontières de son horizon ressemble trait pour trait à un trou noir). La présence de plusieurs horizons entraine l'existence de différences selon la direction dans laquelle on observe le fond diffus cosmologique, une anisotropie. Un an plus tard, avec un collègue du CSIC (le CNRS espagnol), ils ont analysé les données du CMB pour déceler si des preuves observationnelles compatibles avec ce modèle pouvaient exister. La réponse semble être oui, avec la mise en évidence de trois horizons ayant une taille idoine et qui montrent un lot de paramètres cosmologiques cohérents entre eux à l'intérieur d'un horizon mais différents d'un horizon à l'autre. La déviation par rapport à un Univers parfaitement isotrope aux grandes échelles est selon les deux chercheurs statistiquement très significative, avec une probabilité qu'il s'agisse d'une fluctuation gaussienne qui est de seulement 10-9. Ce serait la plus forte évidence d'une violation du principe cosmologique à ce jour. 

Ce modèle impliquant plusieurs régions d'univers aux paramètres cosmologiques différents permet d'expliquer la nature de la constante cosmologique et de l'accélération de l'expansion qu'elle produit (sans entrer dans les détails, il ne s'agirait pas d'une énergie noire mais d'un effet de frontière). Mais il permet aussi de résoudre naturellement la tension qui existe aujourd'hui sur la mesure des paramètres cosmologiques comme la constante de Hubble-Lemaître, et ce sans avoir à faire appel à une physique très nouvelle au delà du modèle standard.

Les suites de cette analyse de données et des propositions de ce nouveau modèle cosmologique sont à suivre de très près... 


Sources

Explaining Cosmological Anisotropy: Evidence for Causal Horizons from CMB data
Pablo Fosalba, and Enrique Gaztañaga
Monthly Notices of the Royal Astronomical Society (30 April 2021)


The size of our causal Universe
Enrique Gaztañaga
Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, vol 494 (15 April 2020), https://doi.org/10.1093/mnras/staa1000

The cosmological constant as a zero action boundary
Enrique Gaztanaga 
Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, vol 502,  (13 January 2021) 

Illustrations

1) Représentation orthographique en coordonnées galactiques de l'écart du paramètre H0 par rapport à la moyenne sur tout le ciel. Les 3 horizons H1, H2 et H3 sont délimités par les lignes grises (Pablo Fosalba, and Enrique Gaztañaga)

2) Représentation orthographique en coordonnées galactiques de l'écart des paramètres Ωc et Ωb, par rapport à la moyenne sur tout le ciel (Pablo Fosalba, and Enrique Gaztañaga)

3) Comparaison des cartographies de l'écart du paramètre H0 par rapport à la moyenne sur tout le ciel entre les données de WMAP (ç gauche) et Planck (à droite) (Pablo Fosalba, and Enrique Gaztañaga)

4) Représentation orthographique en coordonnées galactiques de l'écart des paramètres H0 et ns, par rapport à la moyenne sur tout le ciel (Pablo Fosalba, and Enrique Gaztañaga)

5) Fonction de corrélation angulaire à 2 points déterminée par les auteurs, comparée à la prédiction du modèle cosmologique standard (Pablo Fosalba, and Enrique Gaztañaga)

6) Illustration de la structure causale de l'Univers après l'inflation selon le modèle BHU. Chaque cercle noir représente un univers indépendant : un horizon déconnecté causalement avec ses propres paramètres cosmologiques. Notre galaxie est représentée au centre des cercles rouges concentriques qui représentent le grandissement de notre horizon de particules après la fin de l'inflation (Enrique Gaztañaga 2021)

jeudi 6 mai 2021

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dimanche 2 mai 2021

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