L'heure de la rétrospective annuelle est venue ! Je vous propose de retrouver ci-dessous les 23 découvertes qui ont marqué cette année 2023, sous la forme d'un classement qui se veut tout à fait subjectif...
Quelque chose ne tourne pas rond dans le modèle standard de la cosmologie actuel, le modèle que l'on nomme LambdaCDM, qui considère que l'Univers est en expansion accélérée et contient 26% de matière noire. Quelque chose ne tourne pas rond et c'est une bonne nouvelle.
Carte du CMB par Planck (ESA)
Une nouvelle étude venant de paraître sous la plume de cosmologistes français vient confirmer une anomalie importante concernant la masse des amas de galaxies. Les amas de galaxies sont des grandes structures cosmiques qui regroupent des dizaines voire des centaines de galaxies. Ils ont pour origine, pense-t-on, les fluctuations de densité qui existaient dans l'Univers primordial, et qui se voient toujours dans le rayonnement fossile du fond diffus cosmologique, exploré en détail ces dernières années par le satellite Planck.
L'étude précise de ces petites fluctuations que l'on voit dans le fond diffus cosmologique (le CMB) permet aux cosmologistes de déduire de nombreux paramètres de l'Univers, et parmi ceux-ci on peut prédire quelle doit être la densité des amas de galaxies, c'est à dire le nombre d'amas de galaxies par unité de volume d'Univers.
Parallèlement à ces prédictions théoriques basées sur des observations du CMB, on parvient à mesurer la densité réelle des amas de galaxie par l'observation. Et il existe plusieurs moyens d'observation pour faire cette mesure. Il se trouve que l'une d'elles peut être effectuée avec le même satellite qui mesure les fluctuations du CMB, mais cette fois-ci, il mesure les perturbations provoquées sur le rayonnement de fond par toutes les grandes structures qui se trouvent en avant-plan.
Le principe utilisé dans cette mesure est fondé sur l'effet Sunyaev-Zel'dovich (souvent raccourcit en effet SZ). Il s'agit du résultat de l'interaction d'électrons de grande énergie sur les photons du CMB par diffusion Compton inverse (les électrons transfèrent une partie de leur énergie aux photons micro-ondes qui gagnent de l'énergie en changeant de direction). L'effet SZ permet ainsi de cartographier la densité des électrons et par là-même les grandes densités de matière, notamment de gaz chaud, qui peuple les amas de galaxie... Et ces amas de galaxies et leur gaz chaud peuvent également être observés plus directement par l'observation en rayons X.
Masses des amas de galaxies nécessaires pour que l’abondance d’amas de galaxie soit compatible avec le modèle cosmologique standard (ΛCDM), en fonction des masses estimées par équilibre hydrostatique à partir des observations en rayons X . La ligne rouge marque l’ajustement des masses et montre que les masses du modèle standard sont 70% supérieures aux masses déduites des observations directes en rayons X (Institut d'Astrophysique Spatiale/CNRS/UPSud)
On a donc d'un côté une prédiction sur le nombre d'amas de galaxies issue de l'observation du CMB et du modèle cosmologique LambdaCDM et de l'autre des observations du nombre d'amas avec deux techniques très différentes.
Pour pouvoir comparer les prédictions et les observations du nombre d'amas, il faut prendre en compte le paramètre de la masse des amas. Or la masse des amas peut être évaluée par des observations en rayons X et a été mesurée dans le passé. Les chercheurs français, à partir des données de Planck sur l'effet SZ et des valeurs de masse acquises par l'observation en rayons X avaient montré en 2014 que le nombre d'amas était beaucoup plus faible que la prédiction issue du modèle LambdaCDM construit à partir du CMB, et pas qu'un peu ! Le nombre d'amas est entre 3 et 4 fois plus faible que ce qui est prédit.
L'équipe française menée par Stéphane Ilic du Centre de Physique Théorique à Marseille (CNRS/Université Aix-Marseille) s'est à nouveau penché sur cette forte tension comme disent les chercheurs pour ne pas employer de termes trop durs. Ils ont donc réévalué la masse des amas à partir des données d'observation en rayons X via la relation température-masse des amas, et ont regardé ensuite comment il faudrait modifier cette valeur de masse pour que, une fois injectée dans le modèle, la prédiction et les observations concordent quant au nombre d'amas observés. La réponse est sans appel : les amas devraient avoir une masse 1,70 fois plus grande que celle qui est mesurée !
Cette conclusion laisse songeur plus d'un astrophysicien et d'un cosmologiste, car elle vient tout a fait conforter l'écart sur le nombre d'amas qui était obtenu en 2014. Et quand on parle de masse ici, y est déjà incluse bien sûr la fameuse matière noire.
Quelque chose ne tourne donc pas rond, soit dans les amas, soit dans le CMB ou soit dans le modèle LambdaCDM. La masse des amas est-elle vraiment sous-estimée à ce point et pourquoi ? La matière noire est-elle encore plus présente dans les amas ? Une nouvelle physique est-elle à l'origine des écarts observés ? Le modèle LambdaCDM cache-t-il une faille importante ?
Une des clés pour tenter de comprendre ce qui cloche sera de mesurer la masse des amas par d'autres méthodes encore différentes, comme par exemple l'effet de lentille gravitationnelle; c'est ce que devrait pouvoir faire le futur télescope Euclid que l'ESA doit lancer aux alentours de 2020. C'est une très bonne nouvelle...
Source :
X-ray galaxy clusters abundance and mass-temperature scaling
S. Ilic, A. Blanchard, M. Douspis,
Astronomy and Astrophysics, 582, A79, (12 october 2015)
L'univers très jeune, dans ses 380000 premières années, était très différent de ce que l'on connaît aujourd'hui. La température y était si élevée et la densité d'énergie si grande que les photons ne pouvaient pas se déplacer librement, l'Univers était opaque. Mais pas opaque pour les neutrinos, que l'Univers a produit en grandes quantités dans ses premières secondes... Pour la première fois, une équipe de physiciens vient de mettre le doigt sur ce fond diffus de neutrinos cosmologiques, d'une manière indirecte, mais très robuste.
Dans l'Univers primordial, la lumière était constamment absorbée et réémise par les électrons présents en très grand nombre. Ce n'est qu'au bout de 380 000 ans que l'Univers s'étant refroidi suffisamment par son expansion, les photons ont pu se découpler de la matière et que l'Univers est devenu transparent, les photons ont alors formé ce que l'on voit aujourd'hui comme le rayonnement de fond diffus cosmolgique (le CMB), rayonnement baignant toutes les directions à une température moyenne de 2,735 K. Et à l'inverse des photons, les neutrinos, eux, n'interagissent que très peu avec la matière, et pouvaient traverser facilement cet univers opaque. Ils doivent ainsi former un fond cosmologique eux-aussi, mais reflétant non pas la période de 380000 ans après le Big Bang comme pour le CMB, mais l'époque de seulement quelques secondes après...
Ce fond cosmologique de neutrinos est appelé le CNB (Cosmic Neutrino Background). Ces neutrinos doivent avoir une énergie très basse et leur détection directe s'avère impossible (du moins au jour où j'écris ces lignes), mais en revanche, ils peuvent laisser des traces au niveau de l'autre fond diffus, celui des photons, qui est étudié de très près depuis de nombreuses années et encore récemment par le satellite Planck.
C'est sur les données de Planck que l'équipe américaine menée par Brent Follin de l'université de Californie s'est appuyée, pour démontrer l'existence d'un signal sans équivoque formant la signature des neutrinos cosmologiques. Il s'agit de la première étude parvenant à cette détection, confirmant par là-même une prédiction majeure du modèle standard du Big Bang.
Les neutrinos aussi ont vécu leur transition de phase les rendant soudainement transparents au reste de l'Univers. Ce découplage a eu lieu lorsque la densité de matière est devenue suffisamment faible pour que les neutrinos cessent de subir d'incessantes collisions avec d'autres particules. Cette transition est estimée s'être passée environ 1 seconde après la singularité initiale, avant même que n'existent les noyaux légers. Il n'y avait alors que protons, neutrons et leptons dans ce petit Univers.
Depuis leur libération, les neutrinos voyagent sans contrainte et forment aujourd'hui un rayonnement diffus, le CNB, auquel on peut attribuer une température, qui se retrouve plus faible que celle du CMB. Elle vaut 1,9 K seulement.
La mesure de Brent Follin et ses collaborateurs est fondée sur le fait que, juste après s'être découplés de la matière, les neutrinos cosmologiques représentaient toujours une force gravitationnelle, au moins équivalente à celle de la matière environnante (aujourd'hui, les neutrinos ne représentent plus que 1% de la densité d'énergie de l'Univers).
Avant la formation du CMB, la matière ordinaire était constituée d'un plasma de protons, noyaux d'hélium et électrons. Mais comme les neutrinos se propageaient à une vitesse proche de la vitesse de la lumière, ils se déplaçaient plus vite que la vitesse du son dans ce plasma. Les ondes de chocs associées ont alors produit de minuscules changements, des décalages de phase temporelle, dans les fluctuations de densité alors présentes dans ce plasma primordial. Et plus tard, au moment du découplage des photons et l'apparition du CMB, ce sont toutes les fluctuations de densité qui ont été rendues visibles, sous la forme de très fines variations de températures, que le satellite Planck parvient à mesurer en détails aujourd'hui.
La mesure des infimes décalages de phase temporelle des fluctuations du CMB par la satellite Planck, permet ainsi aux physiciens de remonter de manière indirecte à la cause de ces décalages : le fond de neutrinos cosmologiques.
Pour se convaincre de la véracité des effets observés dans les données du CMB, les auteurs de l'étude ont effectué des simulations de ce à quoi ressembleraient les fluctuations de densité avec puis sans l'effet des neutrinos cosmologiques. Ils ont également regardé par simulation toujours ce que cela donnerait en augmentant le nombre de familles de neutrinos. Ils trouvent que le modèle impliquant 3 familles de neutrinos est celui qui colle le mieux aux données, ce qui est en accord avec la plupart des expériences du domaine.
Le fait important dans cette étude est sa robustesse. En effet, les effets de décalage de phase sur les fluctuations de densité sont très difficilement explicables par autre chose que les neutrinos cosmologiques. Il en existe certes une autre source potentielle, une forme de particule de matière noire légère, mais qui reste très improbable.
L'effet qui a pu être observé est faible mais très significatif. Il reste maintenant à affiner ces observations, notamment grâce aux données de polarisation du rayonnement du CMB qui devraient apporter toujours plus de robustesse à cette interprétation, en pouvant éliminer définitivement les candidats parasites qui pourraient mimer le décalage de phase observé.
D'autre part, dans les années qui viennent, certaines expériences de détection directe de matière noire parmi les plus sensibles pourraient également détecter, et cette fois-ci directement, les neutrinos du fond cosmologique, même si elles n'ont pas été construites pour ça... L'histoire du CNB ne fait que commencer.
Source :
First Detection of the Acoustic Oscillation Phase Shift Expected from the Cosmic Neutrino Background
Brent Follin, Lloyd Knox, Marius Millea, and Zhen Pan
