lundi 23 mai 2022

Nouvelle piste théorique pour résoudre la tension sur H0


Les astrophysiciens peuvent estimer le taux d'expansion actuel de l'Univers H0 en mesurant le décalage vers le rouge d'objets dont la distance est connue. Ils peuvent également le déduire en utilisant le fond diffus cosmologique (CMB) et en appliquant le modèle cosmologique ΛCDM. Mais il existe aujourd'hui une forte tension sur cette valeur de H0 car ces deux méthodes ne convergent pas vers la même valeur : 73 km/s/Mpc d'un côté contre 67 km/s/Mpc de l'autre. Une équipe de théoriciens vient de proposer une solution théorique qui permet de tomber sur la même valeur par les deux méthodes, au prix de l'existence d'un vaste secteur sombre peuplé de multiples particules qui n'interagissent avec notre univers que par la gravitation... L'étude est publiée dans Physical Review Letters.

Les motifs de température et de polarisation du fond diffus cosmologique se sont principalement imprimés pendant la période de recombinaison de l'Univers, lorsque les électrons et les ions se sont unis pour former des atomes neutres. L'échelle de longueur de ces motifs détermine la valeur de H0, mais elle ne peut être estimée qu'en attribuant des valeurs bien déterminées à des processus tels que le taux de diffusion des photons et des électrons pendant la recombinaison. Dans leur article, Francis-Yan Cyr-Racine (University of New Mexico), Fei Ge, et Lloyd Knox (université de Californie) montrent qu'en faisant une symétrie d'échelle de manière appropriée sur les valeurs attribuées à ces processus, on peut obtenir une valeur de H0 dérivée du CMB et du modèle ΛCDM qui correspond à celle qui est dérivée des mesures de redshift. Ils suggèrent qu'une telle mise à l'échelle pourrait par exemple être causée par l'existence d'un secteur sombre, un "monde miroir" constitué d'un ensemble de particules semblables à celles du modèle standard, et qui interagissent seulement gravitationnellement avec la matière ordinaire. 
Ce que Cyr-Racine, Ge et Knox ont découvert c'est qu'une mise à l'échelle uniforme des taux de chute libre gravitationnelle et du taux de diffusion photon-électron au moment de la recombinaison (380 000 ans après le Big Bang) laisse la plupart des observables cosmologiques sans dimension invariantes, notamment l'anisotropie du CMB (∆T /T), la polarisation du CMB et la densité du nombre de galaxies. Cette symétrie n'avait jamais été remarquée auparavant. Une transformation d'échelle peut donc être réalisée sans violer les mesures de quantités qui sont non protégées par la symétrie. Cette transformation symétrique, sous laquelle toutes les échelles de longueur et de temps sont rééchelonnées par un facteur d'échelle constant noté f à tous les décalages vers le rouge, trouve son origine dans la nature sans échelle des fluctuations primordiales. Les chercheurs expliquent que comme tous les taux, y compris le taux d'expansion, peuvent être mis à l'échelle via cette transformation, le processus pourrait être exploité par un modèle cosmologique pour obtenir une cohérence avec un H0 plus élevé au niveau du CMB, qui deviendrait cohérent avec les mesures "locales" de H0.
Mais dans ce cas, si cette transformation symétrique d'échelle existe, Cyr-Racine et ses collaborateurs montrent qu'elle peut être produite par l'existence d'un univers miroir très similaire au nôtre mais invisible pour nous, sauf par son impact gravitationnel. Un tel "secteur sombre" permettrait en effet une transformation d'échelle efficace du taux de chute libre gravitationnelle tout en respectant la densité moyenne de photons qui est précisément mesurée aujourd'hui. De tels modèles, qui contiennent un secteur sombre qui aurait exactement le même contenu en particules et les mêmes interactions que le modèle standard, ont été largement étudiés dans la littérature depuis près de 30 ans. On pense généralement qu'ils sont sévèrement contraintes par les observations cosmologiques, mais Cyr-Racine et ses collaborateurs montrent dans leur étude que de tels modèles exploiteraient en fait la symétrie qu'ils ont dévoilée pour en quelque sorte masquer leur présence, tout en conduisant à une valeur plus élevée de H0.
L'idée de l'existence d'un secteur sombre est apparue dans les années 1990, mais n'a jamais été reconnue comme une solution potentielle au problème de la constante de Hubble-Lemaitre. Or un secteur sombre peut également aider à résoudre certains problèmes en physique des particules. Dans sa forme actuelle, cette solution fondée sur la symétrie d'échelle a tout de même un problème de taille : elle prédit de manière incorrecte les abondances relatives de deutérium et d'hélium dans l'Univers, la nucléosynthèse primordiale. Mais, selon Cyr-Racine et ses collaborateurs, il devrait être plus facile de résoudre ce problème que de résoudre la divergence actuelle sur H0.
Pour résumer, la découverte d'une symétrie d'échelle dans certaines observables cosmologiques permet d'envisager une valeur du paramètre de Hubble-Lemaître plus élevée que celle qui est déduite des paramètres cosmologiques habituels du modèle cosmologique standard, et ainsi de résoudre la tension qui existe aujourd'hui sur sa mesure. L'apparition d'une telle symétrie d'échelle pourrait découler de l'existence d'un secteur sombre, sorte d'univers miroir peuplé de particules qui n'interagiraient avec "notre" secteur que par la gravitation. Un secteur sombre a déjà été imaginé mais jamais pour résoudre la tension sur H0.
Avec cette étude un peu ardue et roborative qui ouvre des perspectives intéressantes, les théoriciens cosmologistes vont avoir de la nourriture de bonne qualité à digérer, en espérant que la sieste qui suivra sera féconde.

Source

Symmetry of Cosmological Observables, a Mirror World Dark Sector, and the Hubble Constant
Francis-Yan Cyr-Racine, Fei Ge, and Lloyd Knox
Physical Review Letters 128, 201301 (18 May 2022)
Illustration 

Carte du fond diffus cosmologique (CMB) (Planck collaboration)

1 commentaire :

L6 Atmo a dit…

Bonjour,

Encore ue solution "noire" qui plus est approximative ("problème de taille") et qui ne me parait pas testable... Malgré l'article et le journal de référence, je classerai ça dans la hard science-fiction.