L’énergie sombre, la force mystérieuse qui entraîne l’expansion accélérée de l’univers, n’existe peut-être pas réellement, disent les scientifiques. Leurs recherches remettent en question l’une des pierres angulaires de la cosmologie moderne.
Dans une nouvelle étude, publiée le 19 décembre 2024 dans la revue Avis mensuels de la Royal Astronomical Societyles chercheurs ont analysé les données de l’enquête Panthéon+, l’ensemble de données le plus complet sur les supernovae de type Ia, dont la luminosité constante permet aux astronomes de mesurer les distances à travers l’univers avec une précision incroyable. Leur analyse suggère que ce que nous percevons comme une accélération pourrait être une illusion provoquée par la structure à grande échelle du cosmos.
Étudier l’univers avec les supernovae de type Ia
Les supernovae de type Ia, la mort explosive d’étoiles naines blanches, constituent depuis longtemps l’un des outils les plus puissants de la cosmologie. Ces événements stellaires se produisent lorsqu’une naine blanche accumule suffisamment de matière provenant d’une étoile compagnon pour déclencher une explosion thermonucléaire. Étant donné que les supernovae de type 1a produisent une luminosité maximale constante, mesurer leur luminosité lorsqu’elles sont observées depuis la Terre peut révéler à quelle distance elles se trouvent.
« Les supernovae de type Ia sont extrêmement précieuses en astronomie car elles agissent comme des bougies standardisables avec lesquelles nous pouvons mesurer de vastes distances dans l’Univers », co-auteur de l’étude Zachary Lanechercheur à l’Université de Canterbury en Nouvelle-Zélande, a déclaré à Live Science dans un e-mail.
En combinant ces informations sur la distance avec le redshift des supernovae – l’étirement de la lumière vers des longueurs d’onde plus rouges en raison de l’expansion de l’univers – les scientifiques ont cartographié la croissance de l’univers au fil du temps. Il y a des décennies, des chercheurs ont utilisé cette méthode pour montrer que l’expansion de l’univers s’accélérait, une découverte qui a conduit à l’hypothèse de énergie sombre – une force mystérieuse et invisible censée imprégner l’espace et provoquer cette accélération.
Ensemble de données Panthéon+
L’ensemble de données Pantheon+ constitue la collection de supernovae de type Ia la plus complète et la plus précise jamais assemblée. Couvrant des décennies d’observations à partir de télescopes au sol et spatiaux, il contient des données sur 1 500 supernovae à travers l’espace-temps.
« Au moment de cette étude, l’ensemble de données spectroscopiques Pantheon+ Type Ia Supernovae était la collection la plus grande et la plus vierge de supernovae purement de type Ia », a déclaré Lane.
La précision et la taille de l’ensemble de données en font une mine d’or pour tester des modèles cosmologiques. Ses enregistrements détaillés de luminosité et de redshift offrent des informations sans précédent sur la façon dont l’univers a évolué, fournissant un terrain d’essai critique pour des théories alternatives au modèle cosmologique standard.
Défier l’énergie noire
Même si l’idée de l’énergie noire explique une grande partie de l’accélération observée dans l’univers, elle a toujours eu un air de mystère. L’énergie sombre n’a jamais été directement détectée et son origine n’a pas non plus été expliquée théoriquement, ce qui a incité certains scientifiques à explorer d’autres explications.
La nouvelle étude vise une hypothèse clé du modèle standard : que l’univers est homogène et isotrope à grande échelle, ce qui signifie qu’il se présente de la même manière dans toutes les directions et depuis tous les points de vue.
Cette hypothèse sous-tend la nécessité de l’énergie noire pour expliquer l’expansion de l’univers. Cependant, Lane et ses collègues ont testé une idée alternative appelée modèle de paysage temporel, qui suggère que l’accélération apparente pourrait être un sous-produit de structures cosmiques telles que les vides – de vastes régions d’espace presque vides entre les amas de galaxies.
« Le modèle standard de la cosmologie repose sur l’hypothèse que l’Univers est uniforme et sans particularités à grande échelle et que les structures cosmiques n’ont pas d’impact significatif sur l’évolution de l’Univers », a déclaré Lane. « Timescape abandonne ces hypothèses et découvre que l’accélération apparente de l’Univers est le résultat d’une rétroaction entre les structures cosmiques. »
En raison de leur matière clairsemée et de leur gravité, les vides se dilatent plus rapidement que les parties plus denses de l’univers, comme les amas de galaxies. Selon le modèle du paysage temporel, la prédominance de ces vides dans le paysage cosmique pourrait expliquer l’accélération observée sans avoir recours à l’énergie noire.
Preuve en faveur du paysage temporel
L’équipe a analysé l’ensemble de données Pantheon+ et a constaté que leurs résultats s’alignaient remarquablement bien avec le modèle de paysage temporel – et dans certains cas surpassaient même le modèle cosmologique standard.
« Lorsque nous examinons chaque supernova, y compris celles très proches de nous dans la Voie lactée, qui pourraient être influencées par des structures locales, nous constatons une très forte préférence en faveur du modèle Timescape », a déclaré Lane. Lorsque les supernovae de l’univers proche ont été exclues pour tenir compte des différences locales, les preuves sont restées favorables, faisant écho aux conclusions de l’étude. Enquête sur l’énergie sombre (DES).
Ces résultats posent un défi direct à la nécessité de l’énergie noire. « Trouver constamment des preuves modérées ou plus fortes d’un modèle cosmologique sans énergie noire en utilisant l’une des méthodes d’observation les plus significatives historiquement est une perspective passionnante à explorer pour l’avenir de la cosmologie », a déclaré Lane.
La route à suivre
Bien que les résultats soient convaincants, Lane a souligné que des recherches supplémentaires sont nécessaires pour solidifier les arguments en faveur du paysage temporel. « Bien que d’autres facteurs doivent être pris en compte pour que cela soit mieux établi au sein de la communauté cosmologique, cela s’avère un premier test prometteur », a-t-il déclaré.
À l’avenir, l’équipe prévoit de combiner l’ensemble de données Pantheon+ avec les données du Dark Energy Survey et les oscillations acoustiques des baryons – des modèles de distribution des galaxies qui peuvent être utilisés comme autre règle cosmique. Les astronomes effectuent également des simulations sur la façon dont les vides se dilatent dans le cadre de relativité générale et explorer comment ces effets s’appliquent à la formation et à l’évolution des galaxies.
« Notre groupe de recherche explore plusieurs extensions de nos travaux actuels, dans le but de remettre en question les aspects fondamentaux de la cosmologie », a déclaré Lane. « Un cadre concurrentiel solide améliorera encore l’avenir de la cosmologie et notre compréhension actuelle des défis auxquels ce domaine est confronté. »