Forme de l’Univers : trois chercheurs relancent le débat

Amas de galaxies. © Nasa/ESA
Contrairement au consensus actuel, l’Univers pourrait être clos, alertent trois astrophysiciens qui s’appuient sur les récentes données du satellite Planck. La belle cohérence de notre modèle cosmologique n’est-elle qu’un mirage ?

« Il y a plus de 99 chances sur 100 pour que l’Univers soit clos. Ce n’est pas nous qui le disons, mais les données du satellite Planck ! » Alessandro Melchiorri semble presque s’excuser de cette énormité. Avec Eleonora Di Valentino et Joseph Silk, de l’université de Manchester et l’Institut d’astrophysique de Paris (IAP), le cosmologiste de l’université de Rome cosigne une étude qui pourrait remettre en cause toute notre vision de l’Univers. S’appuyant sur les toutes récentes données du satellite d’observation du fond diffus cosmologique — le rayonnement primordial de l’Univers, émis 380 000 ans après le big bang —, les trois chercheurs y affirment que la géométrie du cosmos n’est pas équivalente à celle d’un plan, mais d’une sphère. Et que si l’espace est courbe, même de seulement 4 % comme l’indiquent les mesures de Planck, alors le modèle standard de la cosmologie s’effondre !

Pour Eleonora Di Valentino, Alessandro Melchiorri et Joseph Silk, la cohérence du modèle cosmologique pourrait être un trompe-l’œil. DR

Ce modèle, baptisé ΛCDM, est pourtant un joyau pour les théoriciens. Bâti au fil des décennies par des générations de cosmologistes à la suite d’Einstein, il décrit l’Univers comme un fluide majoritairement composé de matière noire (ou Cold Dark Matter, CDM), dont l’expansion est accélérée par une sorte d’énergie du vide appelée constante cosmologique (Λ). Sa force est de décrire toutes les propriétés de l’Univers à grande échelle à partir de seulement six paramètres. Et il s’accorde parfaitement avec la théorie de l’inflation cosmique — qui veut que, dans sa première fraction de seconde, l’Univers ait enflé démesurément. Mais il a une faiblesse : sa simplicité ne vaut que si l’Univers est plat… Ne serait-il alors qu’un château de cartes ?  

Pour bien comprendre l’alerte sonnée par Di Valentino, Melchiorri et Silk, il faut se pencher sur cette étrange notion de courbure de l’Univers… Bien sûr, nous ne vivons pas dans une tranche de carpaccio. L’Univers n’est pas une feuille de papier et l’espace possède bien trois dimensions. Un Univers « plat » pour un astrophysicien signifie que la géométrie qui s’y applique est celle d’Euclide : celle que nous apprenons sur les bancs des écoles, où « deux droites parallèles ne se rencontrent jamais » et où « la somme des angles d’un triangle est égale à 180° ». « Cela peut paraître étonnant, mais rien n’oblige un espace quelconque à avoir une courbure nulle, autrement dit à obéir à cette géométrie plane », souligne François Bouchet, qui a dirigé depuis l’IAP la production des données de Planck. En théorie, nous pourrions tout à fait vivre dans un Univers où la somme des angles d’un triangle serait supérieure à 180° ! Dans ce cas, par analogie avec ce qu’il se passe lorsqu’on trace un triangle à la surface d’une sphère, nous vivrions dans un Univers à « géométrie sphérique », ou encore à courbure positive. Les cosmologistes parlent aussi d’Univers clos, toujours en référence à la sphère. 

Un Univers clos mais sans limite

Mais attention, il ne s’agit plus là de l’Univers sous cloche des Anciens, délimité par une frontière infranchissable ! Nous avons affaire là encore à une analogie : un Univers à géométrie sphérique — impossible à se représenter pour un espace à trois dimensions, et donc que l’on réduit mentalement à deux dimensions en une surface de sphère — est bien refermé sur lui-même (clos), tout en ne possédant aucune limite… Que celui qui en doute prenne son baluchon et marche droit devant lui jusqu’à la frontière de la Terre. Bonne chance ! 

Un espace à deux dimensions (une surface) peut être un plan, mais peut aussi être une surface sphérique ou hyperbolique (en selle de cheval). La géométrie qui s’y applique est alors différente. C’est le cas aussi pour les espaces à trois dimensions, bien que cela soit difficile à visualiser.

« Déterminer la courbure de l’Univers, c’est en gros mesurer les angles d’un triangle formé par l’observateur et deux points les plus éloignés possible, explique François Bouchet. C’est pour ça que nous utilisons le fond diffus cosmologique : c’est un rayonnement qui nous parvient des confins du cosmos. Nous ne pouvons pas voir plus loin ! » Ce que disent Alessandro Melchiorri
et ses collègues, en fait, c’est que les données d’une précision exquise de Planck montrent que la somme des angles de ce triangle est supérieure à 180°. L’Univers n’est pas géométriquement plat, mais courbe. À géométrie sphérique. Clos. 

« Ce n’est pas la première fois que les données du fond diffus cosmologique indiquent que l’Univers est clos. Celles du satellite WMAP, le prédécesseur de Planck, le suggéraient également », souligne Alessandro Melchiorri. « Il y avait déjà une faible indication de courbure positive dans nos données publiées en 2015 », admet François Bouchet. Sauf que, cette fois-ci, l’alerte est plus sérieuse. Avec une probabilité de 99 %, l’hypothèse d’un Univers à géométrie sphérique ne peut plus être ignorée. Et si elle ne colle pas avec le sacro-saint modèle ΛCDM, c’est un gros problème pour lui. L’annonce d’une « possible crise », comme l’écrivent Alessandro Melchiorri et ses collègues. 

François Bouchet a dirigé l’analyse des données du satellite Planck. Pour lui, l’indication d’une courbure de l’Univers n’est pas suffisamment nette pour y sacrifier le modèle standard de la cosmologie. © J. Mouette

« C’est vrai, les données de Planck indiquent une très légère courbure positive. Ce qui s’écarte du modèle standard de la cosmologie. Mais ce résultat ambigu n’est pas vraiment significatif, car lorsqu’on confronte ces mêmes données à d’autres observations cosmologiques, elles ne s’y accordent que si l’Univers est plat », tempère François Bouchet. En particulier, le détail de la distribution des galaxies à l’échelle du cosmos, affublé du nom barbare de baryon acoustic oscillations (BAO)1, n’est compatible avec la cartographie du fond diffus cosmologique que si la courbure de l’Univers est nulle au millième près ! Or, parmi nos outils pour sonder les propriétés de l’Univers — de l’observation des supernovae lointaines à la mesure des abondances chimiques primordiales —, les BAO sont considérées comme très fiables…

Au lieu de crier au loup et d’invoquer la faillite du modèle standard de la cosmologie, le Français préfère donc regarder les mesures de son satellite sous un autre angle : « Soit elles sont entachées d’une erreur systématique que nous n’aurions pas décelée (mais nous avons quand même passé beaucoup de temps dans mon équipe à la chercher…), soit on considère que c’est la faute à pas de chance. Car statistiquement, il y a toujours une possibilité pour que les données s’écartent du modèle bien que celui-ci soit valable. » Après tout, si la taille moyenne des hommes en France est de 1,76 m, ce n’est pas parce que 1 % d’entre eux font plus de 1,95 m que ce ne sont pas des hommes…

Fluctuation statistique 

« C’est vrai, la mesure qui indique un Univers clos a 1 % de chance d’être une simple fluctuation statistique. C’est moins que les 0,00006 % d’erreur qui sont nécessaires en physique des particules pour annoncer une découverte, concède Alessandro Melchiorri. Mais imaginez que vous soyez médecin et que vous découvriez qu’un patient a une probabilité de 99 % d’avoir une maladie grave. Est-ce que vous lui diriez ‘Ne vous inquiétez pas, c’est juste une fluctuation statistique’ ou bien lui suggéreriez-vous d’autres analyses ? » D’ailleurs, souligne le chercheur italien, ce n’est pas parce que l’hypothèse d’un Univers plat rend les données de Planck compatibles avec d’autres observations de cosmologie, contrairement à celle d’un Univers clos, qu’elle est la plus raisonnable : « Cette concordance dérive de l’hypothèse d’un Univers plat elle-même ! En gros, vous prouvez que l’Univers est plat en imposant sa planéité. Je crois que ça n’a tout simplement aucun sens. »

Le fond diffus cosmologique et ses infimes fluctuations de températures vues par Planck. © ESA/Planck Collaboration

Faut-il y voir deux points de vue irréconciliables ? Deux styles, plutôt, de faire de la recherche. D’un côté, comme l’explique Eleonora Di Valentino dans la revue Nature Astronomy, il y a ces « anomalies » qui ont souvent fait progresser notre compréhension de l’Univers et qu’il ne faut pas laisser passer : « La découverte par Kepler que l’orbite de Mars était elliptique (et non circulaire comme dans le système copernicien) a ouvert la voie à la loi de la gravitation universelle de Newton. Le taux anormal de précession du périhélie de Mercure (dans le cadre de la gravité newtonienne) a fourni une confirmation spectaculaire de la relativité générale. » De l’autre, il y a ces données solides « que l’on ne peut pas envoyer paître » — dixit François Bouchet —, et la conviction qu’à déclencher des crises « là où il n’y en a pas », on crée souvent de nouveaux problèmes sans en résoudre aucun. Ici par exemple, « Eleonora, Alessandro et Joe ne résolvent même pas un problème à mon avis plus pressant, à savoir le désaccord sur la valeur de l’expansion de l’Univers entre les données du fond diffus cosmologique et celles des supernovae lointaines2 », souligne le cosmologiste. 

Bien sûr, un accord sera trouvé lorsque les données seront moins équivoques. « Pour confirmer ou au contraire infirmer les données de Planck, il nous faudrait une autre mission d’étude du fond diffus cosmologique. Malheureusement, la proposition faite à l’ESA d’un nouveau satellite de cosmologie, Core, a été rejetée », regrette Alessandro Melchiorri. heureusement, « les Japonais lanceront Litebird en 2027 et un projet américain, Cmb-s4, démarrera bientôt au pôle Sud et au Chili, note François Bouchet. Et pour améliorer les BAO, nous comptons sur le LSST et Desi au sol, et sur Euclid dans l’espace. » En attendant, le débat, lui, n’est pas clos.

 

(1) Agrandies par l’expansion cosmique à l’échelle des galaxies, les BAO sont l’empreinte des ondes de densité qui circulaient dans l’Univers primordial au moment de l’émission du rayonnement cosmologique.   

(2) Selon qu’on le calcule à partir des données de Planck ou via l’observation de supernovae à des milliards d’années-lumière, le taux moyen d’expansion de l’Univers H0 (constante de Hubble) prend une valeur différente, ce qui n’est pas cohérent. Lire C&E n°559, p. 32

Recevez Ciel & Espace pour moins de 6€/mois

Et beaucoup d'autres avantages avec l'offre numérique.

Voir les offres

Nous avons sélectionné pour vous

  • Au télescope, observez Valles Marineris sur la planète Mars !

    La planète Mars est maintenant au plus près de la Terre. Cette configuration exceptionnelle va durer pendant tout le mois d’octobre. Alors profitez-en pour l’observer au télescope. Même un instrument de diamètre relativement modeste permet de voir de beaux détails.

  • Des doutes sur la découverte de phosphine dans les nuages de Vénus

    De la phosphine a-t-elle vraiment été détectée sur Vénus ? Tandis que certains astrophysiciens débattent de son hypothétique origine biologique, d’autres — qui se sont penchés en détail sur les données — doutent carrément de sa présence. Le survol de Vénus par la sonde Bepi-Colombo, le 15 octobre 2020, peut-il trancher le débat ?

  • Retour sur la Lune en 2024 : la Nasa précise son calendrier

    La Nasa entend poser à nouveau des hommes sur la Lune, et pour la première fois une femme, à l’horizon 2024. L’agence américaine vient de dévoiler le rétroplanning de son ambitieux programme, nommé Artémis