Il est communément admis aujourd’hui que l’Univers est en expansion depuis le Big Bang, et que cette expansion s’accélère au fil du temps. Mais les scientifiques se heurtent encore à plusieurs mystères non résolus, tels que la tension de Hubble, le problème de la constante cosmologique ou la nature de la matière et de l’énergie noires. Un physicien propose aujourd’hui une nouvelle théorie qui peut apporter une réponse à toutes ces questions.
L’expansion de l’Univers — concept sur lequel repose le modèle standard du Big Bang — a été décrite en 1927 par l’astrophysicien belge Georges Lemaître, puis mise en évidence en 1929 par l’astronome américain Edwin Hubble. Elle se traduit par une augmentation de la longueur d’onde de la lumière émise par les galaxies, qui de ce fait, est décalée vers le rouge (ce que les astronomes désignent par le redshift). Ainsi, les objets lointains semblent s’éloigner peu à peu.
Selon la loi de Hubble-Lemaître, les galaxies s’éloignent les unes des autres à une vitesse proportionnelle à leur distance. Ainsi, plus une galaxie est loin de nous, plus elle semble s’éloigner rapidement. La constante de proportionnalité mise en jeu est la constante de Hubble, dont la valeur observationnelle est d’environ 70 km/s/Mpc. Mais ces dernières années, plusieurs mesures indépendantes de cette constante ont conduit à des résultats incompatibles — un problème nommé « tension de Hubble » — qui remettent en question le modèle standard de la cosmologie.
Un univers plat et statique ?
Pour mesurer l’expansion apparente de l’Univers, les astronomes utilisent des objets lointains dont la luminosité est bien connue — ce que l’on appelle des « chandelles standards ». En comparant les valeurs de la luminosité théorique et observée, il est possible de calculer la distance de l’objet. C’est grâce à cette approche que des scientifiques ont découvert en 1998 que l’expansion de l’Univers n’est pas régulière, mais qu’elle s’accélère avec le temps.
Cette accélération implique l’existence d’une forme d’énergie hypothétique, dont la nature reste aujourd’hui encore inconnue : l’énergie noire, qui représente près de 70% de la densité énergétique de l’Univers et désignée parfois par la constante cosmologique (notée Λ). Les cosmologistes tentent de prédire la valeur de cette constante, mais les résultats théoriques dépassent l’observation de plusieurs dizaines d’ordres de grandeur — ce que les experts nomment « le problème de la constante cosmologique » ou « catastrophe du vide ».
Pour résoudre ce problème, les chercheurs supposent l’existence de nouvelles particules ou de nouvelles forces encore inconnues. Mais Lucas Lombriser, professeur de physique théorique de l’Université de Genève, suggère de reconsidérer le problème à la base, en d’autres termes de reconsidérer le concept même d’expansion de l’Univers.
« Une approche moins radicale pour s’aventurer au-delà du modèle standard est la simple reformulation mathématique de nos cadres théoriques sous-jacents. Tout en laissant les mesures physiques intactes, cette approche peut offrir une réinterprétation et même des solutions à ces problèmes », explique-t-il dans la revue Classical and Quantum Gravity. Selon lui, l’Univers ne serait pas en expansion, mais à l’inverse, plat et statique. Il montre que les effets d’éloignement observés peuvent s’expliquer par l’évolution des masses des particules au cours du temps.
Une variation des échelles de masse, de longueur et de temps à travers l’espace-temps
Sa théorie repose sur l’espace de Minkowski, un espace mathématique qui modélise l’espace-temps de la relativité restreinte. Ce modèle aide à montrer comment un intervalle d’espace-temps entre deux événements est indépendant du cadre de référence inertiel dans lequel ils sont enregistrés. « Plutôt qu’une expansion de l’espace, une courbure spatiale, des inhomogénéités et des anisotropies à petite échelle, ce cadre présente une variation des échelles de masse, de longueur et de temps à travers l’espace-temps », précise-t-il.
Lombriser explique que la constante cosmologique est fixée par la masse du champ qui imprègne l’espace-temps ; or, celui-ci fluctue, donc les masses des particules qu’il engendre fluctuent également. Par conséquent, la constante cosmologique varie bien avec le temps, mais uniquement à cause de la variation de la masse des particules et non à cause de l’expansion de l’univers.
Dans ce cadre, les fluctuations de champ se traduisent par des décalages vers le rouge plus importants pour les amas de galaxies lointains que ne le prévoient les modèles cosmologiques traditionnels. De ce fait, la constante cosmologique devient conforme aux prédictions théoriques. « J’ai été surpris de constater que le problème de la constante cosmologique semble tout simplement disparaître dans cette nouvelle perspective sur le cosmos », a déclaré le physicien à Live Science.
Outre l’absence apparente du problème de la constante cosmologique dans le cadre de Minkowski, cette approche trouve une explication potentielle à plusieurs autres mystères non élucidés à ce jour, tels que la nature de la matière noire et de l’énergie noire. Lombriser suggère que l’énergie noire et la matière noire pourraient être interprétées comme des masses de particules en évolution, qui divergent et convergent respectivement en fonction de l’âge de l’Univers.
« Un autre candidat géométrique pour la matière noire consiste à traiter les inhomogénéités conformes du facteur d’échelle comme un champ scalaire », note le chercheur. Ce champ peut se comporter comme un axion et pourrait agir comme de la matière noire ou de l’énergie noire — les axions étant des particules hypothétiques supposées stables, neutres et de très faible masse, proposées comme constituants possibles de la matière noire.
Interrogée par Live Science, Luz Ángela García, chercheuse postdoctorale à l’Université ECCI de Bogotá (Colombie), se dit impressionnée par cette théorie et par le nombre de problèmes qu’elle résout. Elle invite toutefois à la prudence dans l’évaluation des résultats, car l’étude contient des éléments théoriques qui ne peuvent pour le moment pas être testés et vérifiés par observation.
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