Source: The Conversation – in French – By Levon Pogosian, Professor of Physics, Simon Fraser University
(NASA)
Si l’expansion de l’univers est un fait établi, la vitesse à laquelle elle se produit divise les scientifiques.
Deux des meilleures méthodes dont nous disposons pour mesurer le taux d’expansion de l’univers, soit la constante de Hubble, donnent des résultats qui ne concordent pas. Ce problème majeur de la cosmologie moderne est connu sous le nom de « tension de Hubble ».
Nous nous sommes demandé si une théorie proposée initialement pour expliquer l’origine des champs magnétiques cosmiques pouvait nous aider à solutionner le mystère de la tension de Hubble.
Nos récentes recherches explorent la possibilité que des champs magnétiques extrêmement faibles, vestiges des premiers instants suivant le Big Bang, puissent nous aider à résoudre la tension de Hubble, tout en nous offrant un aperçu de la physique à des énergies bien supérieures à celles pouvant être atteintes sur Terre.
Constante de Hubble et tension de Hubble
Les astronomes utilisent la constante de Hubble pour mesurer la vitesse d’expansion de l’univers. Elle tire son nom de l’astronome américain Edwin Hubble, qui a découvert que l’univers était en expansion.
Il existe deux approches pour calculer la constante de Hubble. La première est indirecte et repose sur les prédictions de notre modèle cosmologique, ajusté pour correspondre aux motifs du fond diffus cosmologique, soit le faible rayonnement résiduel du Big Bang.
Des instruments tels que le télescope spatial Planck ont mesuré d’infimes fluctuations de cette lumière primordiale, ce qui a permis d’obtenir une constante de Hubble d’environ 67 kilomètres par seconde par mégaparsec (km/s/Mpc). Un parsec est une unité de distance utilisée en astronomie équivalant à environ 3,26 années-lumière, soit 30,9 billions de kilomètres. Un mégaparsec équivaut à un million de parsecs.
La deuxième méthode est plus directe et semblable à celle adoptée par Hubble dans les années 1920 quand il a démontré pour la première fois que l’univers était en expansion. Elle consiste à mesurer la vitesse à laquelle les galaxies lointaines s’éloignent de la nôtre, la Voie lactée, en observant la luminosité des explosions de supernovae dans ces galaxies.
Les supernovae de type Ia sont appelées « chandelles standard », car nous savons que leur luminosité est la même où qu’elles se trouvent. Nous pouvons donc évaluer la distance qui nous en sépare en fonction de leur luminosité apparente.
Pour déterminer leur luminosité intrinsèque, les astronomes utilisent d’autres chandelles standard, comme les étoiles céphéides, dans les galaxies avoisinantes. Ces observations, réalisées à l’aide des télescopes spatiaux Hubble et James Webb, donnent une valeur plus élevée, soit environ 73 km/s/Mpc.
C’est cette différence entre les deux résultats qu’on appelle « tension de Hubble ». La différence entre 67 et 73 peut sembler minime, mais elle est statistiquement très significative. Si les deux méthodes sont correctes, alors le modèle standard de la cosmologie doit présenter une lacune.
D’où viennent les champs magnétiques cosmiques ?
Les champs magnétiques sont partout dans l’univers. Si les planètes et les étoiles produisent leurs propres champs, des lacunes dans notre compréhension ressortent lorsqu’il s’agit d’expliquer les champs magnétiques à très grande échelle qui traversent les galaxies, les amas, voire les vides cosmiques.
L’une des hypothèses est que le magnétisme serait apparu pour la première fois au tout début de l’univers, bien avant la formation des premières étoiles et galaxies. Ces champs magnétiques, appelés « primordiaux », sont étudiés depuis des décennies. La recherche de leurs empreintes dans le fond diffus cosmologique et d’autres données permet d’explorer l’univers primitif et les énergies extrêmes qui auraient généré ces champs.
En 2011, deux d’entre nous (Karsten et Tom) ont relevé que les champs magnétiques primordiaux auraient influencé la recombinaison, c’est-à-dire lorsque les électrons et les protons se sont combinés pour la première fois pour former de l’hydrogène neutre, et que l’univers est passé d’un état opaque à un état transparent. La première lumière capable de voyager librement est ce que nous observons aujourd’hui sous la forme du fond diffus cosmologique.
Si les champs magnétiques primordiaux existent, ils accéléreraient la recombinaison en repoussant et en attirant les particules chargées, rendant la matière grumeleuse. Dans les zones où la densité de particules est plus importante, la probabilité de rencontre et de formation d’hydrogène est plus élevée.
Déplacer le moment où l’univers devient transparent change la taille des motifs observés dans le fond diffus cosmologique. Cela modifie l’unité de mesure des distances cosmiques et, par conséquent, la valeur de la constante de Hubble déduite du modèle, contribuant ainsi à atténuer la tension de Hubble. En 2020, deux d’entre nous (Karsten et Levon) ont démontré cet effet à l’aide d’un modèle simplifié de recombinaison.
Ce que nous avons découvert
Carte créée par l’observatoire Wilkinson Microwave Anisotropy Probe de la NASA représentant le rayonnement micro-ondes émis environ 375 000 ans après la naissance de l’univers.
(NASA/WMAP Science Team)
Dans notre récente publication, nous avons utilisé les premières simulations tridimensionnelles complètes du plasma primordial avec des champs magnétiques intégrés, afin de retracer la formation de l’hydrogène.
Nous avons considéré l’historique de formation de l’hydrogène obtenu grâce à ces simulations pour effectuer des prédictions sur l’apparence que devrait avoir le fond diffus cosmologique en présence de champs magnétiques primordiaux, puis nous avons comparé ces prédictions aux observations du fond diffus.
Le fond diffus cosmologique est extrêmement sensible aux variations de recombinaison. Si les champs magnétiques primordiaux l’avaient modifié d’une manière incompatible avec les observations, cette hypothèse aurait pu être écartée. Or, les données ont montré que notre proposition demeure valable.
L’expertise universitaire, l’exigence journalistique.
Déjà des milliers d’abonnés à l’infolettre de La Conversation. Et vous ? Abonnez-vous gratuitement à notre infolettre pour mieux comprendre les grands enjeux contemporains.
En combinant plusieurs ensembles de données, nous enregistrons une légère préférence constante pour les champs magnétiques primordiaux, comprise entre 1,5 et 3 écarts-types. Il ne s’agit pas encore d’une découverte, mais d’un indice significatif de leur existence.
Par ailleurs, les intensités de champ privilégiées par les données, d’environ 5 à 10 pico-gauss, sont proches de celles qui seraient nécessaires pour que les champs magnétiques des galaxies et des amas proviennent uniquement des germes primordiaux. Un pico-gauss est une unité de mesure de l’intensité des champs magnétiques.
Si les champs magnétiques primordiaux sont confirmés, ils permettraient non seulement d’atténuer la tension de Hubble, mais ils ouvriraient également une nouvelle fenêtre sur l’état de l’univers quelques fractions de seconde après sa naissance, offrant peut-être un aperçu d’événements majeurs tels que le Big Bang.
Nos résultats montrent que cette hypothèse résiste aux tests les plus poussés actuellement disponibles et qu’elle fournit des cibles claires pour les observations futures. Au cours des prochaines années, nous découvrirons si de minuscules champs magnétiques remontant à l’aube des temps ont contribué à façonner l’univers que nous contemplons aujourd’hui, et s’ils sont la clé pour résoudre la tension de Hubble.
Levon Pogosian bénéficie d’un financement du Conseil de recherches en sciences naturelles et en génie du Canada. Les travaux décrits dans cet article ont été rendus possibles en partie grâce au soutien apporté par le BC DRI Group et la Digital Research Alliance of Canada.
Karsten Jedamzik bénéficie d’un financement du Centre national de la recherche scientifique (CNRS) français. Les travaux décrits dans cet article ont été en partie soutenus par l’Agence nationale de la recherche.
Tom Abel bénéficie d’un financement du Département américain de l’Énergie dans le cadre du contrat n° DE-AC02-76SF00515.
– ref. La tension de Hubble : peut-on résoudre l’un des plus grands mystères de l’univers grâce aux champs magnétiques ? – https://theconversation.com/la-tension-de-hubble-peut-on-resoudre-lun-des-plus-grands-mysteres-de-lunivers-grace-aux-champs-magnetiques-275611