La cosmologie peut-elle démêler les mystères les plus insaisissables de l'univers ?

Cet article a été publié initialement sur le site de la revue Knowable Magazine from Annual Reviews et traduit avec leur aimable autorisation.

"La première chose que nous savons de l'univers, c'est qu'il est vraiment, vraiment grand", déclare le cosmologiste Michael Turner, qui contemple cette réalité depuis plus de quatre décennies maintenant. "Et parce que l'univers est si grand, poursuit-il, il est souvent hors de portée de nos instruments, et de nos idées."

Il est certain que notre compréhension actuelle de l'histoire cosmique laisse d'énormes questions sans réponse, affirme Michael Turner, professeur émérite à l'université de Chicago et membre invité de la faculté de l'UCLA. Prenez la question des origines. Nous savons maintenant que l'univers est en expansion et en évolution depuis environ 13,8 milliards d'années, à partir du moment où tout ce qui existe a explosé vers l'extérieur à partir d'un état initial de température et de densité quasi infinies, c'est-à-dire le Big Bang. Pourtant, personne ne sait avec certitude ce qu'était le Big Bang, dit Turner. Personne ne sait non plus ce qui l'a déclenché, ni ce qui l'a précédé, ni même s'il est pertinent de parler de "temps" avant cet événement initial.

Il y a ensuite le fait que les étoiles et les galaxies les plus lointaines que nos télescopes peuvent potentiellement voir sont confinées à l'univers "observable" : la région qui englobe les objets tels que les galaxies et les étoiles dont la lumière a eu le temps de nous parvenir depuis le Big Bang. Selon M. Turner, il s'agit d'un volume presque inconcevable, qui s'étend sur des dizaines de milliards d'années-lumière dans toutes les directions. Pourtant, nous n'avons aucun moyen de savoir ce qui se trouve au-delà. Juste un peu plus de la même chose, peut-être, s'étendant à l'infini. Ou des royaumes tout à fait étranges, avec des lois physiques très différentes des nôtres.

Mais comme l'explique M. Turner dans la 2022 Annual Review of Nuclear and Particle Science, il faut s'attendre à des mystères. L'étude scientifique de la cosmologie, le domaine qui s'intéresse aux origines et à l'évolution de l'univers, a à peine un siècle. Elle a déjà été transformée plus d'une fois par de nouvelles idées, de nouvelles technologies et des découvertes stupéfiantes - et il y a tout lieu de s'attendre à d'autres surprises à venir.

Knowable Magazine s'est récemment entretenu avec le cosmologiste Michael Turner sur la manière dont ces transformations se sont produites et sur ce que pourrait être l'avenir de la cosmologie. Cette interview a été modifiée pour des raisons de longueur et de clarté.

Vous dites dans votre article que la cosmologie moderne et scientifique n'a pas commencé avant les années 1920 environ. Que s'est-il passé alors ?

Michael Turner : Ce n'est pas comme si rien ne s'était passé auparavant. Les gens spéculent sur l'origine et l'évolution de l'univers depuis aussi longtemps que nous le savons. Mais l'essentiel de ce qui a été fait avant il y a environ 100 ans s'appelle aujourd'hui l'astronomie galactique, c'est-à-dire l'étude des étoiles, des planètes et des nuages de gaz interstellaires au sein de notre propre Voie lactée. À l'époque, en fait, de nombreux astronomes affirmaient que la Voie lactée était l'univers, qu'il n'y avait rien d'autre.

Mais deux choses importantes se sont produites dans les années 1920. La première est le travail d'un jeune astronome nommé Edwin Hubble. Il s'est intéressé aux nébuleuses, ces taches de lumière floues dans le ciel que les astronomes cataloguaient depuis des centaines d'années. Il y a toujours eu un débat sur leur nature : S'agissait-il simplement de nuages de gaz relativement proches dans la Voie lactée, ou d'autres "univers insulaires" aussi grands que le nôtre ?

Personne n'avait été capable de le découvrir. Mais Hubble avait accès à un nouveau télescope de 100 pouces, le plus grand du monde à l'époque. Il disposait ainsi d'un instrument suffisamment puissant pour observer certaines des nébuleuses les plus grandes et les plus brillantes et montrer qu'elles contenaient des étoiles individuelles et pas seulement du gaz. En 1925, il était également capable d'estimer la distance de la nébuleuse la plus brillante, dans la constellation d'Andromède. Elle se trouvait bien en dehors de la Voie Lactée. C'était une toute autre galaxie comme la nôtre.

Cet exposé a donc résolu à lui seul l'énigme des nébuleuses et a fait de Hubble un grand astronome. En termes d'aujourd'hui, il avait identifié l'architecture fondamentale de l'univers, à savoir qu'il est constitué de ces collections d'étoiles organisées en galaxies comme notre propre Voie lactée - environ 200 milliards d'entre elles dans la partie de l'univers que nous pouvons voir.

Mais il ne s'est pas arrêté là. À l'époque, il y avait cette - enfin, "guerre" est probablement un mot trop fort, mais une séparation entre les astronomes qui prenaient des photos et les astrophysiciens qui utilisaient la spectroscopie, qui était une technique que les physiciens avaient développée au XIXe siècle pour analyser les longueurs d'onde de la lumière émise par des objets lointains. Une fois que l'on a commencé à relever les spectres d'objets tels que des étoiles ou des planètes et à comparer leurs émissions avec celles d'éléments chimiques connus en laboratoire, on a pu dire : "Oh, non seulement je sais de quoi il est fait, mais je connais sa température et la vitesse à laquelle il se rapproche ou s'éloigne de nous." Vous pouviez donc commencer à étudier réellement l'objet.

Mais comme dans d'autres domaines scientifiques, les meilleurs astronomes utilisent tous les outils à leur disposition, qu'il s'agisse d'images ou de spectres. Dans le cas de Hubble, il a porté une attention particulière à un article antérieur qui avait utilisé la spectroscopie pour mesurer la vitesse des nébuleuses. Ce qui était frappant dans cet article, c'est que certaines de ces nébuleuses s'éloignaient de nous à plusieurs centaines de kilomètres par seconde. En termes spectroscopiques, elles présentaient un "décalage vers le rouge" élevé, ce qui signifie que leurs émissions étaient décalées vers des longueurs d'onde plus grandes que celles que l'on peut observer en laboratoire.

En 1929, alors que Hubble disposait de données solides sur la distance de deux douzaines de galaxies et d'estimations raisonnables pour d'autres, il a comparé ces valeurs aux données sur le décalage vers le rouge. Et il obtint une corrélation frappante : Plus une galaxie était éloignée, plus elle s'éloignait rapidement de nous.

C'est cette relation que l'on appelle aujourd'hui la loi de Hubble. Il a cependant fallu du temps pour comprendre ce qu'elle signifiait.

La première preuve observationnelle du Big Bang est apparue en 1929, lorsque l'astronome Edwin Hubble a découvert que les galaxies lointaines s'éloignent de nous avec une vitesse proportionnelle à leur distance (à gauche). Deux ans plus tard, Hubble et son collègue Milton Humason ont montré que cette relation vitesse-distance - la "loi de Hubble" - restait valable pour des galaxies dix fois plus éloignées. (Les points rouges dans le coin inférieur gauche sont les galaxies observées par Hubble en 1929). Les astronomes ont rapidement compris que la loi de Hubble signifiait que l'univers lui-même était en expansion.

Pourquoi ? Cela nécessitait-il un deuxième grand développement ?

Oui. Un peu plus tôt, en 1915, Albert Einstein avait présenté sa théorie de la relativité générale, qui constituait un changement de paradigme complet et une reformulation de la théorie de la gravité. Son idée maîtresse était que l'espace et le temps ne sont pas fixes, comme les physiciens l'avaient toujours supposé, mais qu'ils sont dynamiques. La matière et l'énergie courbent l'espace et le temps autour d'elles-mêmes, et la "force" que nous appelons gravité n'est que le résultat de la déviation des objets lorsqu'ils se déplacent dans cet espace-temps courbé. Comme l'a dit le regretté physicien John Archibald Wheeler, "l'espace dit à la matière comment se déplacer, et la matière dit à l'espace comment se courber".

Il a fallu quelques années pour relier la théorie d'Einstein à l'observation. Mais dès le début ou le milieu des années 1930, il était clair que ce que Hubble avait découvert n'était pas que les galaxies s'éloignaient de nous vers le vide, mais que l'espace lui-même était en expansion et entraînait les galaxies avec lui. L'univers entier est en expansion.

Dans les années 1930, quelques scientifiques ont commencé à réaliser que la découverte de Hubble signifiait également que l'univers avait un commencement.

Le tournant décisif est probablement George Gamow, un physicien soviétique qui a fait défection aux Etats-Unis dans les années 1930. Il avait étudié la relativité générale lorsqu'il était étudiant à Leningrad et savait que les équations d'Einstein impliquaient que l'univers s'était étendu à partir d'une "singularité" - un point mathématique où le temps commence et où le rayon de l'univers est nul. C'est ce que nous appelons aujourd'hui le Big Bang.

Mais Gamow connaissait également la physique nucléaire, qu'il avait contribué à développer avant la Seconde Guerre mondiale. Vers 1948, lui et ses collaborateurs ont commencé à combiner la relativité générale et la physique nucléaire dans un modèle du début de l'univers pour expliquer d'où venaient les éléments du tableau périodique.

Leur idée maîtresse était que l'univers était chaud au départ, puis se refroidissait en se dilatant, comme le fait le gaz d'un aérosol. C'était totalement théorique à l'époque. Mais elle sera confirmée en 1965 lorsque les radioastronomes découvriront le rayonnement de fond cosmologique. Ce rayonnement est constitué de photons de haute énergie qui ont émergé du Big Bang et se sont refroidis au fur et à mesure de l'expansion de l'univers, jusqu'à ce qu'ils se situent aujourd'hui à seulement 3 degrés Kelvin au-dessus du zéro absolu - qui est également la température moyenne de l'univers dans son ensemble.

Le fond diffus cosmologique est constitué des vestiges de la lumière la plus ancienne de l'univers - un rayonnement émis environ 380 000 ans après le Big Bang, lorsque le plasma cosmique en refroidissement rapide a atteint une température de 2 700 degrés Celsius. Depuis lors, 13,8 milliards d'années d'expansion cosmique ont refroidi le rayonnement à seulement 2,7 degrés C au-dessus du zéro absolu. Cette température est remarquablement uniforme dans tout le ciel : Les minuscules écarts par rapport à la moyenne (le plus froid est en bleu, le plus chaud en rouge) cartographiés ici par le satellite Planck de l'Agence spatiale européenne sont considérés comme le résultat de fluctuations quantiques dans les premiers instants du Big Bang, et ne représentent que quelques parties sur 100 000. Aussi petites soient-elles, ces fluctuations se condenseront plus tard pour former les galaxies et les amas que nous voyons aujourd'hui.

Dans cette soupe chaude et primordiale - appelée ylem par Gamow - la matière n'existerait pas sous la forme qu'elle a aujourd'hui. La chaleur extrême aurait fait bouillir les atomes en leurs composants constitutifs - neutrons, protons et électrons. Le rêve de Gamow était que les réactions nucléaires dans la soupe refroidie auraient produit tous les éléments, les neutrons et les protons se combinant pour former les noyaux des différents atomes du tableau périodique.

Mais son idée n'a pas abouti. Il a fallu plusieurs années et un grand nombre de personnes pour que les calculs soient exacts. Mais dans les années 1960, il était clair que ce qui sortirait de ces réactions nucléaires serait principalement de l'hydrogène, plus beaucoup d'hélium - environ 25 % en poids, exactement ce que les astronomes ont observé - et un peu de deutérium, d'hélium 3 et de lithium. Les éléments plus lourds comme le carbone et l'oxygène ont été fabriqués plus tard, par des réactions nucléaires dans les étoiles et d'autres processus.

Ainsi, au début des années 1970, nous disposions de la création des éléments légers dans un Big Bang chaud, de l'expansion de l'univers et du rayonnement de fond micro-ondes - les trois piliers observationnels de ce que l'on appelle le modèle standard de la cosmologie, et ce que j'appelle le premier paradigme.

Mais vous notez que les cosmologistes ont presque immédiatement commencé à se tourner vers un second paradigme. Pourquoi ? Le modèle du Big Bang était-il erroné ?

Non, il n'était pas erroné - notre compréhension actuelle suppose toujours un début de Big Bang chaud - mais il était incomplet. Dans les années 1970, l'idée d'un début chaud attirait l'attention des physiciens des particules, qui voyaient dans le Big Bang un moyen d'étudier les collisions de particules à des énergies que les accélérateurs terrestres ne pouvaient espérer atteindre. Le domaine s'est donc soudainement élargi, et les gens ont commencé à poser des questions qui suggéraient que la cosmologie standard manquait de quelque chose.

Par exemple, pourquoi l'univers est-il si lisse ? L'intensité et la température du rayonnement de fond à micro-ondes, qui est la meilleure mesure que nous ayons de l'univers entier, est presque parfaitement uniforme dans toutes les directions. Rien dans les équations cosmologiques d'Einstein ne dit qu'il doit en être ainsi.

Mais d'un autre côté, pourquoi cette régularité cosmique n'est-elle que presque parfaite ? Après tout, les caractéristiques les plus marquantes de l'univers actuel sont les galaxies, qui ont dû se former lorsque la gravité a amplifié de minuscules fluctuations de la densité de la matière dans l'univers primitif. Mais d'où venaient ces fluctuations ? Qu'est-ce qui a ensemencé les galaxies ?

À peu près à la même époque, on a découvert que les neutrons et les protons étaient constitués de particules plus petites - les quarks - ce qui signifie que la soupe de neutrons et de protons a fini par bouillir elle aussi, devenant une soupe de quarks dès les premiers temps. Les réponses se trouvent donc peut-être dans cette phase initiale de la soupe de quarks, ou même avant.

C'est cette possibilité qui a conduit Alan Guth à rédiger son brillant article sur l'inflation cosmique en 1981.

Qu'est-ce que l'inflation cosmique ?

L'idée de Guth était que, dans la plus petite fraction de seconde après la singularité initiale, selon les nouvelles idées de la physique des particules, l'univers devait subir une poussée d'expansion accélérée. Il s'agirait d'une expansion exponentielle, bien plus rapide que dans le modèle standard du Big Bang. La taille de l'univers aurait doublé, puis doublé et encore doublé, suffisamment de fois pour prendre une parcelle subatomique de l'espace et la faire exploser à l'échelle de l'univers observable.

Cela explique d'emblée l'uniformité de l'univers, tout comme si vous aviez un ballon et que vous le gonfliez jusqu'à ce qu'il ait la taille de la Terre ou plus : Il aurait l'air lisse. Mais l'inflation explique aussi les galaxies. Dans le monde quantique, il est normal que des choses comme le nombre de particules dans une région minuscule rebondissent. D'ordinaire, la moyenne est égale à zéro et nous ne le remarquons pas. Mais lorsque l'inflation cosmique a produit cette formidable expansion, elle a fait exploser ces fluctuations subatomiques à des échelles astrophysiques et a fourni les graines pour la formation des galaxies.

Ce résultat est l'exemple même de la connexion entre la physique des particules et la cosmologie : Les plus grandes choses de l'univers - galaxies et amas de galaxies - sont nées de fluctuations quantiques incroyablement petites.

Vous avez écrit que le deuxième paradigme a trois piliers, l'inflation cosmique étant le premier. Qu'en est-il des deux autres ?

Lorsque les détails de l'inflation ont été mis au point au début des années 1980, les gens ont vu qu'il manquait quelque chose d'autre. L'expansion exponentielle aurait tout étiré jusqu'à ce que l'espace soit "plat" dans un certain sens mathématique. Mais selon la relativité générale d'Einstein, l'univers ne pouvait être plat que si sa masse et son énergie atteignaient une certaine densité critique. Cette valeur était très faible, équivalente à quelques atomes d'hydrogène par mètre cube.

Mais même cela était un peu tiré par les cheveux : Les meilleures mesures des astronomes concernant la densité moyenne de l'ensemble des planètes, des étoiles et des gaz de l'univers - tous les éléments constitués d'atomes - n'atteignaient même pas 10 % de la densité critique. (Le chiffre actuel est de 4,9 %.) Il fallait donc que quelque chose d'autre, qui n'était pas constitué d'atomes, comble la différence.

Ce quelque chose s'est avéré avoir deux composants, dont l'un avait déjà été détecté par les astronomes grâce à ses effets gravitationnels. Fritz Zwicky a trouvé le premier indice dans les années 1930, en observant le mouvement des galaxies dans des amas lointains. Chacun de ces amas galactiques était manifestement maintenu par la gravité, car les galaxies étaient toutes proches et ne se séparaient pas. Pourtant, les vitesses constatées par Zwicky étaient très élevées et il en a conclu que les étoiles visibles ne pouvaient à elles seules produire une gravité suffisante pour maintenir les galaxies unies. La gravité supplémentaire devait provenir d'une forme de "matière noire" qui ne brillait pas, mais qui dépassait largement les étoiles visibles.

Puis Vera Rubin et Kent Ford ont mis le doigt sur le problème dans les années 1970 en étudiant la rotation des galaxies proches ordinaires, à commencer par Andromède. Ils ont découvert que les taux de rotation étaient beaucoup trop rapides : Il n'y avait pas assez d'étoiles et de gaz interstellaire pour maintenir ces galaxies ensemble. La gravité supplémentaire devait provenir de quelque chose d'invisible - encore une fois, de la matière noire.

Les physiciens des particules adoraient l'idée de la matière noire, car leurs théories des champs unifiés contenaient des particules hypothétiques portant des noms tels que neutralino ou axion, qui auraient été produites en très grand nombre lors du Big Bang et qui avaient exactement les bonnes propriétés. Elles n'émettraient pas de lumière car elles n'avaient pas de charge électrique et interagissaient très faiblement avec la matière ordinaire. Mais elles auraient une masse suffisante pour produire les effets gravitationnels de la matière noire.

Nous n'avons pas encore détecté ces particules en laboratoire. Mais nous savons certaines choses à leur sujet. Elles sont "froides", par exemple, ce qui signifie qu'elles se déplacent lentement par rapport à la vitesse de la lumière. Et nous savons, grâce à des simulations informatiques, que sans la gravité de la matière noire froide, ces minuscules fluctuations de densité dans la matière ordinaire qui a émergé du Big Bang ne se seraient jamais effondrées en galaxies. Elles n'avaient tout simplement pas assez de gravité par elles-mêmes.

C'était donc le deuxième pilier, la matière noire froide. Et le troisième ?

Au fur et à mesure que les simulations et les observations s'amélioraient, les cosmologistes ont commencé à se rendre compte que même la matière noire ne représentait qu'une fraction de la densité critique nécessaire pour que l'univers soit plat (le chiffre actuel est de 26,8 %). La pièce manquante a été découverte en 1998 lorsque deux groupes d'astronomes ont mesuré très soigneusement le décalage vers le rouge de galaxies lointaines et ont constaté que l'expansion cosmique s'accélérait progressivement.

Quelque chose - j'ai suggéré de l'appeler "énergie sombre", et le nom est resté - pousse donc l'univers à se séparer. Notre meilleure compréhension est que l'énergie noire entraîne une gravité répulsive, ce qui est intégré dans la relativité générale d'Einstein. La caractéristique cruciale de l'énergie noire est son élasticité ou sa pression négative. En outre, elle ne peut être décomposée en particules : il s'agit plutôt d'un milieu extrêmement élastique.

Si l'énergie noire reste l'un des grands mystères de la cosmologie et de la physique des particules, elle semble être mathématiquement équivalente à la constante cosmologique qu'Einstein avait suggérée en 1917. Dans l'interprétation moderne, cependant, elle correspond à l'énergie du vide quantique de la nature. Il en résulte une image extraordinaire : l'expansion cosmique s'accélère au lieu de ralentir, sous l'effet de la gravité répulsive d'une composante très élastique et mystérieuse de l'univers appelée énergie sombre. Les preuves tout aussi extraordinaires de cette affirmation extraordinaire se sont accumulées depuis lors et les deux équipes qui ont fait la découverte de 1998 ont reçu le prix Nobel de physique en 2011.

Voici donc où nous en sommes : un univers plat, de densité critique, comprenant de la matière ordinaire à environ 5 %, de la matière noire particulaire à environ 25 % et de l'énergie noire à environ 70 %. La constante cosmologique est toujours appelée lambda, la lettre grecque qu'Einstein utilisait. Le nouveau paradigme est donc appelé le modèle de cosmologie lambda-matière noire froide.

Les données de haute précision de l'observatoire spatial Planck ont également permis aux astronomes d'affiner leurs mesures de la composition de l'univers. La matière ordinaire que nous pouvons voir et avec laquelle nous interagissons, c'est-à-dire les atomes, les neutrinos et les photons, ne représente même pas 5 % du total. La matière mystérieuse connue sous le nom de matière noire est plus de cinq fois plus abondante - et l'énergie noire, encore plus énigmatique, les domine toutes les deux.

Donc c'est votre deuxième paradigme - inflation plus matière noire froide plus énergie noire ?

Oui. Et c'est une situation étonnante de verre à moitié plein, à moitié vide. Le paradigme lambda-matière noire froide repose sur trois piliers bien établis par des preuves, qui nous permettent de décrire l'évolution de l'univers depuis une minuscule fraction de seconde jusqu'à aujourd'hui. Mais nous savons que nous n'avons pas terminé.

Par exemple, vous dites : "Wow, l'inflation cosmique semble vraiment importante. C'est pourquoi nous avons un univers plat aujourd'hui et elle explique les graines des galaxies. Dites-moi les détails." Eh bien, nous ne connaissons pas les détails. Notre meilleure compréhension est que l'inflation a été causée par un champ encore inconnu similaire au boson de Higgs découvert en 2012.

Alors vous dites : "Oui, cette matière noire semble vraiment importante. Sa gravité est responsable de la formation de toutes les galaxies et de tous les amas de l'univers. Qu'est-ce que c'est ?" Nous ne savons pas. C'est probablement une sorte de particule résiduelle du Big Bang, mais nous ne l'avons pas trouvée.

Et puis finalement vous dites, "Oh, l'énergie sombre représente 70 % de l'univers. Cela doit être vraiment important. Dites-m'en plus." Et nous disons, c'est cohérent avec une constante cosmologique. Mais en réalité, nous n'avons pas la moindre idée de la raison pour laquelle la constante cosmologique devrait exister ou avoir la valeur qu'elle a.

La cosmologie nous a donc laissé avec trois questions de physique : La matière noire, l'énergie noire et l'inflation - qu'est-ce que c'est ?

Cela signifie-t-il que nous avons besoin d'un troisième paradigme cosmologique pour trouver les réponses ?

Peut-être. Il se pourrait que tout soit réglé en 30 ans, car nous ne faisons qu'étoffer nos idées actuelles. Nous découvririons que la matière noire est en fait une particule comme l'axion, que l'énergie noire ne serait que l'énergie quantique constante de l'espace vide, et que l'inflation serait en fait causée par le champ de Higgs.

Mais le plus probable, si l'on se fie à l'histoire, c'est que nous passons à côté de quelque chose et qu'il y a une surprise à l'horizon.

Certains cosmologistes tentent de trouver cette surprise en suivant les grandes questions. Par exemple : Qu'est-ce que le Big Bang ? Et que s'est-il passé avant ? La théorie du Big Bang dont nous avons parlé précédemment est tout sauf une théorie du Big Bang lui-même ; c'est une théorie de ce qui s'est passé après.

Rappelez-vous que l'événement réel du Big Bang, selon la relativité générale d'Einstein, était cette singularité qui a vu la création de la matière, de l'énergie, de l'espace et du temps lui-même. C'est là le grand mystère, dont nous avons même du mal à parler en termes scientifiques : Y a-t-il eu une phase avant cette singularité ? Et si oui, à quoi ressemblait-elle ? Ou, comme le pensent de nombreux théoriciens, la singularité des équations d'Einstein représente-t-elle l'instant où l'espace et le temps eux-mêmes ont émergé de quelque chose de plus fondamental ?

Une autre possibilité qui a retenu l'attention des scientifiques et du public est celle des multivers. Elle découle de l'inflation, où l'on imagine l'explosion d'un petit morceau d'espace à une taille énorme. Cela pourrait-il se produire plus d'une fois, à des endroits et à des moments différents ? La réponse est oui : différentes parties du multivers élargi auraient pu se gonfler pour devenir des univers entièrement différents, avec peut-être des lois physiques différentes dans chacun d'eux. Ce pourrait être la plus grande idée depuis que Copernic nous a éloignés du centre de l'univers. Mais c'est aussi très frustrant parce que pour l'instant, ce n'est pas de la science : Ces univers seraient complètement déconnectés, sans aucun moyen d'y accéder, de les observer ou de montrer qu'ils existent réellement.

Une autre possibilité encore se trouve dans le titre de mon article des Annual Reviews : La route vers la cosmologie de précision. Il fut un temps où la cosmologie était vraiment difficile parce que les instruments n'étaient pas à la hauteur de la tâche. Dans les années 1930, Hubble et son collègue Milton Humason se sont battus pendant des années pour recueillir les décalages vers le rouge de quelques centaines de galaxies, en partie parce qu'ils enregistraient un spectre à la fois sur des plaques photographiques qui recueillaient moins de 1 % de la lumière. Aujourd'hui, les astronomes utilisent des détecteurs CCD électroniques - du même type que ceux que tout le monde a dans son téléphone - qui recueillent presque 100 % de la lumière. C'est comme si vous aviez augmenté la taille de votre télescope sans aucune construction.

Et nous avons des projets tels que l'instrument spectroscopique de l'énergie noire à Kitt Peak, en Arizona, qui peut recueillir les spectres de 5 000 galaxies à la fois, soit 35 millions d'entre elles en cinq ans.

La cosmologie était donc une science pauvre en données, dans laquelle il était difficile de mesurer les choses avec une précision fiable. Aujourd'hui, nous faisons de la cosmologie de précision, avec une exactitude de l'ordre du pourcentage. De plus, nous sommes parfois capables de mesurer les choses de deux manières différentes et de voir si les résultats concordent, créant ainsi des recoupements qui peuvent confirmer notre paradigme actuel ou en révéler les failles.

Le taux d'expansion de l'univers, appelé paramètre de Hubble - le chiffre le plus important en cosmologie - en est un excellent exemple. Ce paramètre est le chiffre le plus important en cosmologie. Il nous indique l'âge de l'univers : Plus le paramètre est grand, plus l'univers est jeune, et vice versa. Aujourd'hui, nous pouvons le mesurer directement avec les vitesses et les distances des galaxies jusqu'à quelques centaines de millions d'années-lumière, au niveau de quelques pour cent.

Mais il existe désormais un autre moyen de le mesurer grâce aux observations par satellite du rayonnement de fond micro-ondes, qui nous donne le taux d'expansion lorsque l'univers avait environ 380 000 ans, avec une précision encore plus grande. Avec le modèle de matière noire lambda-froide, on peut extrapoler ce taux d'expansion jusqu'à nos jours et voir si l'on obtient les mêmes chiffres qu'avec les décalages vers le rouge. Et ce n'est pas le cas : les chiffres diffèrent de près de 10 % - une énigme permanente que l'on appelle la tension de Hubble.

C'est peut-être là que se trouve le fil conducteur, cet écart minuscule dans les mesures de précision qui pourrait conduire à un nouveau changement de paradigme. Il se pourrait que les mesures directes de la distance des galaxies soient erronées, ou que les chiffres du fond diffus soient erronés. Mais peut-être découvrons-nous quelque chose qui manque à la matière noire lambda-froide. Ce serait extrêmement excitant.

Traduit et publié avec l'aimable autorisation de Knowable Magazine. L'article original est à retrouver ICI.