vendredi 9 septembre 2022

Observation d'une anisotropie dipolaire dans la distribution de matière à très grande échelle


Des physiciens viennent de montrer qu'il existerait une anisotropie dans le signal de sources astrophysiques très éloignées (quasars et radiogalaxies), une anisotropie qui s'ajouterait à celle qui existe dans le fond diffus cosmologique et qui est attribuée au mouvement connu du soleil dans notre galaxie et du mouvement de cette dernière. En d'autres termes, c'est tout le modèle cosmologique fondé sur l'isotropie de l'Univers qui serait remis en question.. L'étude est à paraître dans The Astrophysical Journal Letters.

Nathan Secrest (US Naval Observatory, Washington) ainsi que ses collaborateurs Sebastian von Hausegger, Subir Sarkar (Centre Rudolf Peierls de physique théorique d'Oxford), Roya Mohayaee (Institut d'astrophysique, Paris) et Mohamed Rameez (Tata Institute of Fundamental Research, Mumbai) ont utilisé les observations de plus d'un million de quasars et d'un demi-million de sources radio pour tester le "principe cosmologique" qui sous-tend la cosmologie actuelle. Ce principe stipule qu'en moyenne, à grande échelle, l'Univers est isotrope et homogène. Ce principe permet une description mathématique simple de l'espace-temps : la métrique de Friedmann-Lemaître-Robertson-Walker, qui simplifie énormément l'application de la théorie de la relativité générale d'Einstein à l'Univers dans son ensemble, et qui a donné naissance au modèle cosmologique standard. L'interprétation des données d'observation dans le cadre de ce modèle a conduit à la conclusion qu'environ 70 % de l'Univers se présente sous la forme d'une mystérieuse "énergie sombre" qui accélère son taux d'expansion.
Cette énergie a été interprétée comme provenant des fluctuations du point zéro du vide quantique, mais ce phénomène est tout à fait inexplicable dans le modèle standard des interactions fondamentales issu de la théorie quantique des champs, dont l'échelle d'énergie caractéristique est supérieure d'un facteur démesuré (des dizaines de puissances de 10). Aujourd'hui, le modèle cosmologique standard ΛCDM décrit bien les données d'observation, mais son principal composant, l'énergie sombre, n'a encore aucune base physique. 
L'Univers à petite échelle n'est pas vraiment homogène ni isotrope. Les études astronomiques révèlent une structure filamenteuse de galaxies, d'amas de galaxies et de superamas d'amas, et cette "toile cosmique" s'étend jusqu'aux échelles les plus profondes actuellement sondées, soit environ 2 milliards d'années-lumière. Mais on considère que, bien qu'agglutinée à petites échelles, la distribution de la matière devient homogène lorsqu'elle est moyennée à des échelles supérieures à environ 300 millions d'années-lumière. L'expansion de Hubble est lisse et isotrope à grande échelle, tandis qu'à petite échelle, l'effet gravitationnel des inhomogénéités donne lieu à des vitesses particulières entre les galaxies et les amas de galaxies. Par exemple, notre plus proche voisine, la galaxie d'Andromède, ne recule pas dans le flux de l'expansion mais elle tombe vers nous.
En 1966, un an après la découverte du rayonnement de fond diffus cosmologique issu du Big Bang (CMB), le cosmologiste Dennis Sciama (et directeur de thèse de Stephen Hawking) avait remarqué que le CMB  ne pouvait pas être uniforme sur le ciel. Il devait présenter selon lui une "anisotropie dipolaire", c'est-à-dire apparaître plus chaud dans la direction de notre mouvement local et plus froid dans la direction opposée. Ce phénomène a effectivement été constaté peu après et est aujourd'hui  attribué à notre mouvement à environ 370 km/s vers une direction particulière (vers la constellation du Cratère). En conséquence, un "boost" relativiste spécial est aujourd'hui appliqué à toutes les données cosmologiques (décalages vers le rouge, magnitudes apparentes, etc.) pour les transformer dans le référentiel dans lequel l'univers est isotrope, puisque c'est dans ce "référentiel cosmique au repos" que les équations de Friedmann-Lemaître du modèle cosmologique standard s'appliquent. Et c'est l'application de ces équations aux données corrigées qui indique que le taux d'expansion de Hubble s'accélère, comme s'il était mû par la constante cosmologique d'Einstein Λ, alias l'énergie sombre. 
Comme l'anisotropie dipolaire dans le CMB est due à notre mouvement, alors il doit exister un dipôle similaire visible dans le signal de toutes les sources cosmologiquement éloignées cumulées, un signal qui trace leur distribution spatiale. Les astrophysiciens George Ellis et John Baldwin avaient déterminé en 1984 qu'il fallait une carte du ciel de quelques centaines de milliers de ces sources très éloignées, pour que ce dipôle puisse être mesuré et comparé au dipôle du CMB. En comparant les deux, on s'attend théoriquement à observer des dipôles centrés sur la même direction, celle du mouvement de notre galaxie.
Mais ce n'est que depuis vingt ans que les premières données de ce type sont devenues disponibles, avec par exemple le catalogue de sources radio du VLA Sky Survey (NVSS). Et quand on mesure l'amplitude du dipôle de ces nombreuses sources radio, on voit qu'il est plus élevé que prévu, et que sa direction est différente de celle du dipôle du CMB. Cependant, les incertitudes du relevé NVSS étant importantes, la signification de cette divergence n'était pas évidente. L'équipe de Nathan Secrest a donc décidé d'analyser un catalogue plus important, de 1,4 million de quasars qui ont été cartographiés par le Wide-field Infrared Explorer (WISE) de la NASA en infra-rouge. Et ils ont constaté une divergence similaire, mais d'une importance bien plus grande, par rapport au dipôle du CMB. 
Secrest et ses collaborateurs ont ensuite effectué une analyse conjointe des catalogues NVSS et WISE après avoir procédé à diverses vérifications. Ces catalogues sont indépendants et n'ont pas d'objets communs, ce qui équivaut donc à réaliser deux expériences indépendantes. Les dipôles qui apparaissent dans les données des deux catalogues, réalisés à des longueurs d'onde très différentes, apparaissent cohérents entre eux mais pas avec celui du CMB. Et la cohérence des deux dipôles NVSS et WISE s'améliore lorsque l'on se place dans référentiel dans lequel le CMB est isotrope (en supposant que son dipôle est d'origine cinématique). 
Cela suggère selon les chercheurs que les radiogalaxies et les quasars cosmologiquement distants  présentent une anisotropie intrinsèque dans ce référentiel. Si les sources lointaines ne sont pas isotropes dans le référentiel dans lequel le CMB est isotrope, cela implique une violation du principe cosmologique... La signifiance statistique de la divergence entre les référentiels au repos du rayonnement (CMB) et de la matière (quasars et radiogalaxies lointains) est de 5,1σ (une probabilité de moins de 1 sur 3,5 millions d'être un hasard). 

Cette distribution dipolaire partagée par les galaxies lointaines et les quasars montre une amplitude de dipôle D = (1,40 ± 0,13) ×10-2 et pointe dans la direction (l, b) = (233° ± 6°, +34° ± 5°). Et les chercheurs ne trouvent aucune preuve d'une dépendance de l'amplitude en fonction de la fréquence du rayonnement utilisé (ondes radio ou infra rouge). Et après soustraction de la composante dipolaire du CMB liée à notre vitesse, ça donne un dipôle d'amplitude D = (0.86 ± 0.14) ×10-2 dans la direction (l, b) = (217°±10°, +20°±7°). Cette direction se trouve à 48° de la direction du dipôle du CMB, donc très éloignée. Il y aurait ainsi une surdensité de galaxies et de quasars sur des très grandes échelles dans  cette direction privilégiée... 
Selon Secrest et ses collaborateurs, l'existence d'un dipôle dans la distribution des galaxies à très grande échelle remet la validité de la métrique FLRW en question... L'Univers ne serait pas isotrope, c'est à dire qu'il ne serait pas identique dans toutes les directions, mais qu'il existerait une direction privilégiée pour la distribution de matière, qui n'aurait aucun lien avec la vitesse de notre galaxie. Ces résultats représentent donc un défi important pour le principe cosmologique et, par extension, pour le modèle cosmologique standard, selon eux. 

De nouvelles données permettant de vérifier cette découverte susceptible de changer complètement le paradigme cosmologique actuel proviendront bientôt de l'Observatoire Vera C Rubin au Chili. À cette fin, Sebastian von Hausegger et Subir Sarkar, co-auteurs de cette étude, dirigent des projets dans le cadre de la LSST Dark Energy Science Collaboration afin d'utiliser les données à venir pour tester l'homogénéité et l'isotropie de l'Univers. 
De telles études approfondies pourront révéler si et comment le dipôle de matière anormalement grand  observé est lié à notre flux de matière local, qui est également anormal en s'étendant plus profondément que ce qui est attendu dans le modèle standard ΛCDM de formation des structures. La mesure des flux et des densités galactiques fournira des moyens supplémentaires pour différencier les contributions du dipôle de matière.

Encore un peu de patience avant de tuer définitivement le modèle cosmologique standard...

Source

A Challenge to the Standard Cosmological Model
Nathan Secrest et al. 
à paraître dans The Astrophysical Journal Letters


Illustrations

1. Le dipôle du CMB dû au mouvement des observateurs que nous sommes (Planck collaboration)
2. Comparaison de la position en fonction de l'amplitude de la direction du dipôle mesuré (croix) dans les relevés de NVSS et WISE par rapport à la valeur attendue (Secrest et al.)

3 commentaires :

Claire a dit…

Une des difficultés en science est de savoir remettre en question ce que l'on croit savoir à la lumière de ce que l'on découvre ! Et là, ce n'est pas une petite théorie qui est questionnée! C'est passionnant !

Pascal a dit…

Bonjour,

La discordance retrouvée entre l'anisotropie du CMB et celle de dans la distribution des quasars et des radiogalaxies à grand Z (> 0.1) est à rapprocher de l'étude de Migkas et al de 2020 (rapportée dans ce blog) sur la relation température/luminosité X des amas de galaxies qui montrait une franche anisotropie potentiellement due à celle de l'énergie noire. Malheureusement, il semble que la direction du dipole ne soit pas du tout la même dans les deux cas. Y a-t-il eu du nouveau en X ?

Dr Eric Simon a dit…

Bonjour Pascal,

Effectivement, il ne s'agit pas de la même direction pour ces dipôles...
A noter que Migkas et al. ont fait un autre papier en 2021 (https://www.aanda.org/articles/aa/full_html/2021/05/aa40296-21/aa40296-21.html) qui montre à nouveau une anisotropie, mais dans la direction (280°, −15°) à 5,5 sigmas (contre (303°, -27°) en 2020). On peut aussi noter que le papier de 2020 a eu 46 citations depuis sa parution, et qu'aucunes d'elles ne semble remettre en cause les analyses effectuées, mais utilisent plutôt l'anisotropie mentionnée comme donnée d'entrée.
Pour la suite des observations en X, malheureusement, on misait beaucoup sur le relevé all-sky de eRosita, mais le télescope allemand à bord du satellite russe Spektr-RG a été mis à l'arrêt quelques jours après l'invasion de l'Ukraine... Voir si les données acquises avant seront suffisantes pour en savoir plus...