Il y a quelques années, il a été suggéré que la dilatation temporelle ne s’appliquait pas aux quasars (des trous noirs supermassifs au centre de régions extrêmement lumineuses) — un paradoxe remettant en question la relativité générale. Cependant, une analyse révèle qu’en utilisant les quasars comme horloges cosmiques, le temps semble s’écouler 5 fois moins vite dans l’Univers primitif (1 milliard d’années après le Big Bang), par rapport à notre point d’observation.
Il est communément admis que dans l’Univers, le temps et l’espace sont inextricablement entrelacés et que l’univers est en constante expansion, selon la célèbre théorie de la relativité générale d’Einstein. L’une des implications cosmologiques de cette théorie est que les évènements se produisant dans les parties de l’Univers éloignées de nos points d’observation devraient se dérouler plus lentement que ceux à côté de nous (selon notre point de vue).
Dans le cas de la lumière provenant d’un objet distant, elle « s’étend » à mesure que l’objet s’éloigne, en se décalant sur des longueurs toujours plus rouges. D’un autre côté et étant donné que cet effet de dilatation s’applique également au temps, une supernova explosant très loin de nous nous semble s’estomper plus lentement qu’une supernova plus proche.
Renversement du paradoxe des quasars
L’expansion se produisant de façon homogène dans l’Univers, l’effet de la dilatation du temps devrait être transposable partout, quel que soit l’objet ou l’évènement. « Grâce à Einstein, nous savons que le temps et l’espace sont entrelacés et, depuis l’aube des temps dans la singularité du Big Bang, l’univers est en expansion. Cette expansion de l’espace signifie que nos observations de l’Univers primitif devraient sembler beaucoup plus lentes que le temps qui s’écoule aujourd’hui », explique l’astronome Geraint Lewis de Université de Sydney.
Cependant, des études antérieures ont révélé que d’une manière paradoxale, la dilatation du temps ne s’applique pas aux quasars. Ces derniers émettraient des impulsions lumineuses au même rythme, peu importe leur distance par rapport à la Terre. Diverses théories ont été émises pour tenter d’expliquer cette étrange exception. L’une d’elles suggère que la lumière des quasars est courbée par des trous noirs dispersés dans l’Univers, qui l’empêchent de subir la dilatation temporelle. D’autres vont plus loin en remettant en question l’expansion de l’Univers ou la théorie du Big Bang.
Toutefois, les échantillons de quasars observés pour ces études étaient assez réduits et n’ont été analysés que sur de courtes périodes de temps. D’un autre côté, les observations remontant jusqu’à l’Univers primitif ont jusqu’ici été insaisissables. En effet, les nouvelles prouesses technologiques ont dernièrement permis des observations inédites des premières lueurs de l’Univers.
Dans la nouvelle étude, parue dans Nature Astronomy, Lewis affirme « qu’avec les nouvelles données et analyses, nous avons pu trouver la tique insaisissable des quasars, et ils se comportent exactement comme le prédit la théorie de la relativité d’Einstein ». En se servant des quasars comme horloges cosmiques, les chercheurs ont pour la première fois observé les effets de la dilatation temporelle dans l’Univers primitif, il y a plus de 12 milliards d’années.
Des quasars comme horloges cosmiques ?
Il est important de savoir que les astronomes avaient déjà confirmé la dilatation temporelle de l’Univers par le passé, par le biais de l’étude de supernovas. Les supernovas peuvent en effet également être utilisées en tant qu’horloges cosmiques (standards), car elles permettent d’observer la dilatation du temps. Toutefois, il est difficile d’utiliser ces horloges hors du commun pour étudier le comportement d’objets se situant à de très grandes distances.
En se servant des quasars comme horloges cosmiques cependant, il est possible de remonter jusqu’au moment où l’Univers n’avait qu’un dixième de son âge, selon les chercheurs de la nouvelle étude. En effet, les supernovas agissent tel un seul jet de lumière, ce qui les rend plus faciles à analyser, mais limitées au niveau du diamètre d’étude. Les quasars en revanche sont beaucoup plus complexes, car ils ressemblent davantage à un feu d’artifice, et de ce fait permettent de pallier ce problème de « l’événement temporel unique ». « Ce que nous avons fait, c’est démêler ce feu d’artifice, montrant que les quasars peuvent également être utilisés comme marqueurs de temps standard pour l’Univers primitif », explique Lewis.
Pour étayer leur hypothèse, Lewis et son collègue ont analysé un ensemble de 190 quasars observés sur deux décennies et âgés de 2,45 à 12,17 milliards d’années. En comparant les observations effectuées dans différentes longueurs d’onde (en décalage du vert vers le rouge et l’infrarouge), ils ont pu établir la chronologie de chaque quasar. Chacun de ces derniers a bénéficié d’environ 200 observations, permettant de retracer la fluctuation de leur longueur d’onde.
Par le biais d’une analyse bayésienne — consistant à calculer les probabilités de diverses causes hypothétiques à partir de l’observation d’événements connus —, ils ont constaté que l’expansion de l’Univers était comme « imprimée » dans la chronologie ou le « tic-tac » de chaque quasar (en le considérant comme une horloge). Entre autres, en augmentant le nombre de quasars et la durée d’observation, il a été relevé que le rythme de fluctuation de leur intensité lumineuse ralentissant avec le temps.
In fine, les analyses ont permis de déduire qu’à un milliard d’années après le Big Bang (il y a environ 13 milliards d’années), le temps a subi une dilatation extrême et donne l’impression qu’il s’écoule cinq fois plus lentement que celui de notre proximité immédiate. « Si vous étiez là, dans cet univers naissant, une seconde durerait exactement une seconde – mais de notre position, plus de 12 milliards d’années dans le futur, ce premier ‘temps’ semble s’éterniser », indique Lewis. Il s’agit de l’effet de dilatation le plus éloigné jamais observé depuis nos points d’observation. Il confirme qu’à l’instar de tout objet et de tout évènement dans l’Univers, les quasars n’y échappent pas, contrairement à ce qui a précédemment été avancé.
Vidéo expliquant la dilatation du temps dans l’Univers primitif :
Un trou noir
est un objet compact au champ gravitationnel si intense qu'aucune
matière ni aucun rayonnement ne peut s'en échapper. Puisque ces
astres n'émettent aucune lumière, ils ne peuvent être... [...]