Détection de structures cosmiques anisotropes à l'échelle du gigaparsec

D’après le principe cosmologique qui sous-tend le modèle cosmologique standard ΛCDM, l'Univers devient statistiquement homogène et isotrope aux grandes échelles. Dans ce cadre, au-delà du régime non linéaire de formation des amas de galaxies, les caractéristiques inhomogènes et anisotropes devraient s'estomper rapidement. Mais cette vision est de plus en plus remise en question par le réseau complexe de structures et de vides à grande échelle qui est observé dans la distribution des galaxies, ainsi que par des études indépendantes qui rapportent de possibles écarts à grande échelle par rapport à l'homogénéité statistique et à l'isotropie.

Aujourd’hui, deux astrophysiciens montrent à nouveau, dans un article paru dans Nature, que la distribution des galaxies présente des structures anisotropes qui sont persistantes et qui s'étendent jusqu'à des échelles de l'ordre du gigaparsec ! De quoi faire trembler les fondements du modèle standard...

La distribution spatiale des galaxies est un paramètre observable essentiel pour l'étude de la structure à grande échelle de l'Univers. Caractériser ses propriétés statistiques demeure un défi de taille, car elle présente des motifs complexes qui s'étendent jusqu'aux plus grandes structures connues du cosmos. Un objectif central de la cosmologie observationnelle est de déterminer l'étendue spatiale de ces structures, ce qui permet ensuite des comparaisons statistiques pertinentes avec les modèles théoriques de formation des galaxies.

Dans les relevés de galaxies, le regroupement est généralement caractérisé par des statistiques moyennées angulairement, telles que la fonction de corrélation à deux points ou son équivalent de Fourier, le spectre de puissance, qui quantifient l'amplitude des fluctuations de densité en fonction de l'échelle, mais sont intrinsèquement insensibles à l'information directionnelle.

Des études sur l'anisotropie à grande échelle ont ciblé des signatures spécifiques, notamment les multipôles de bas ordre dans le fond diffus cosmologique, ou les variations directionnelles du nombre de sources astrophysiques. Et parallèlement, des algorithmes conçus pour identifier des caractéristiques morphologiques telles que les filaments, les parois et les vides ont été largement utilisés pour caractériser la toile cosmique. Les premières observations ont rapporté des filaments qui s'étendent jusqu'à environ 60 Mpc tandis que des études ultérieures ont révélé des filaments à l' échelle des superamas couvrant environ 150 Mpc. Plus récemment, des structures s'étendant sur plusieurs centaines de Mpc  ont été rapportées, bien que leur signification statistique demeure incertaine.

Prises ensemble, ces études suggèrent que les observations actuelles pourraient déjà révéler des écarts par rapport à l'isotropie à grande échelle. Mais la plupart de ces méthodes ciblent des manifestations spécifiques de l'anisotropie, testant des directions privilégiées plutôt que de fournir une caractérisation générale de la structure directionnelle.

C’est pour pallier ces limitations, que Francesco Sylos Labini et Marco Galoppo ont utilisé la distribution angulaire des séparations de paires (ADPD) , qui est une statistique sans paramètre qui mesure les corrélations directionnelles. Cette mesure examine directement la distribution des orientations de paires de galaxies à séparation fixe sans décomposition angulaire ni hypothèses dépendantes du modèle. Elle peut être appliquée à des échantillons de géométrie arbitraire et comparée directement aux prédictions isotropes et aux catalogues simulés issus de simulations numériques à N corps de modèles cosmologiques.

Dans leur analyse des échantillons de galaxies du catalogue DESI (avec plus de 30000 galaxies par échantillon), Sylos Labini et Galoppo détectent des signaux d'anisotropie supérieurs à ceux observés dans les contrôles isotropes et les catalogues simulés ΛCDM, avec une signification statistique supérieure à 3σ. Les cartes qu’ils construisent révèlent des crêtes verticales marquées, indiquant un excès de paires de galaxies alignées selon des directions spécifiques et persistant sur une large gamme de séparations. Ces structures filamenteuses cohérentes s'étendent sur des centaines de mégaparsecs et correspondent aux motifs allongés visibles sur les coupes projetées. Les chercheurs comparent ensuite à des catalogues simulés à partir du modèle ΛCDM et adaptés aux données en termes de géométrie, d'épaisseur de coupe et de nombre de galaxies. Et contrairement aux observations, les cartes simulées ne présentent que des structures directionnelles faibles et éphémères, tendant vers une distribution uniforme aux grandes séparations.

Ces résultats démontrent directement que la cohérence directionnelle persiste à des échelles très grandes, plus grandes que celles qui sont prédites par le modèle standard. Pour les chercheurs, ce comportement remet donc en question l'hypothèse d'une distribution des galaxies statistiquement isotrope aux plus grandes échelles et il invite selon eux à reconsidérer la manière dont l'uniformité et l'isotropie à grande échelle se manifestent dans l'Univers observable… avec des implications potentielles pour l'interprétation du modèle standard de Friedmann-Lemaître-Robertson-Walker. Ce n’est pas rien…

La détection d'anisotropies à grande échelle contraste en effet avec la formulation standard du principe cosmologique. On le rappelle, ce principe fondamental suppose l'homogénéité et l'isotropie statistiques en tout point, tout en restant compatible avec le principe copernicien, qui requiert seulement l'absence de points d'observation privilégiés.

D'un point de vue théorique, l'existence de telles anisotropies à grande échelle motive l'exploration de solutions plus générales aux équations de champ d'Einstein, qui prendraient explicitement en compte les inhomogénéités à grande échelle. Elles motivent également l'étude de sources alternatives qui provoquerait une accélération de la formation des galaxies et amas de galaxies dans l’Univers jeune, comme par exemple l'introduction d'une auto-interaction pour les particules de matière noire, ou l’étude d'effets de rétroaction qui seraient dûs aux inhomogénéités.

Ce qui est rassurant, c’est que les futures publications de données de DESI, ainsi que les relevés à grande échelle à venir comme celui d'Euclid, vont nous permettre de tester ces résultats avec des échantillons considérablement plus importants et sur des volumes cosmologiques plus vastes. Ces observations offriront une possibilité décisive d'établir si les structures anisotropes à grande échelle identifiées ici s'étendent à des échelles encore plus grandes, ce qui confirmerait la nécessité d'une évolution fondamentale de notre modèle cosmologique.

 

Source

Detection of anisotropic cosmic structures on a gigaparsec scale

Francesco Sylos Labini & Marco Galoppo

Nature (24 juin 2026)

https://doi.org/10.1038/s41586-026-10702-5

 

Illustration

Comparaison des projections bidimensionnelles de l'échantillon de galaxies du catalogue DESI et carte ADPD correspondante avec l’équivalent simulé (modèle ΛCDM) (Sylos Labini & Galoppo )