Il y a plus de dix ans, en prenant la température de l’univers, des astronomes ont découvert quelque chose d’étrange. Ils ont découvert qu’une parcelle de ciel, d’une largeur équivalente à celle de 20 lunes, était inhabituellement froide.
Les astronomes mesuraient le rayonnement micro-ondes qui baigne l’univers entier, vestige incandescent du big bang. Regarder ce fond diffus cosmologique, ou CMB, c’est entrevoir l’univers primordial, à une époque où il avait moins de 400 000 ans.
L’hypothèse la plus probable est celle d’un superpoids cosmique.
Le CMB recouvre le ciel et semble à peu près le même partout, couvant à une température faiblement froide de 2,725 kelvins – à peine quelques degrés de plus que le zéro absolu. Mais, armés du satellite WMAP récemment lancé, les astronomes ont décidé de sonder des variations de température aussi infimes qu’une partie sur 100 000. Nées de l’écume quantique qu’était l’univers un demi-moment après le big bang, ces fluctuations aléatoires aident les scientifiques à comprendre de quoi est fait le cosmos et comment tout cela a vu le jour.
Et se détachant au milieu de ces fluctuations était un point froid. Au fil des ans, les astronomes ont proposé toutes sortes d’idées pour l’expliquer, allant de l’erreur instrumentale aux univers parallèles. Mais aujourd’hui, ils se concentrent sur un suspect de premier ordre : une énorme caverne de vide appelée supervoïde cosmique, si grande qu’elle pourrait être la plus grande structure de l’univers.
Selon la théorie, un vide aussi vaste, dans lequel il n’existe pas une seule étoile ou galaxie, peut laisser une empreinte glaciale sur le CMB. La réponse au mystère, alors, pourrait simplement être un tas de rien. Pourtant, des énigmes subsistent, et l’affaire est loin d’être close.
Comment faire un point froid
Le point froid n’est pas la seule chose bizarre dans le CMB. Les scientifiques ont trouvé plusieurs autres anomalies de ce type – par exemple, les signaux de la moitié du ciel semblent légèrement plus forts que l’autre moitié. La théorie standard de la cosmologie, qui a par ailleurs été prophétique en prédisant les détails du CMB, ne peut pas expliquer entièrement ces bizarreries, dont le point froid est l’une des plus importantes.
Un très gros point froid pourrait agir comme une sorte de lentille déformante
L’explication la plus simple de ces anomalies est qu’il s’agit de cas fortuits, d’artefacts du hasard parmi les fluctuations de température aléatoires du CMB. Lorsque vous jouez à pile ou face une centaine de fois, il y a toujours une chance que vous obteniez 20, 30 ou même 50 têtes à la suite. Le défi pour les scientifiques est de déterminer si ces anomalies sont dues à la chance ou à une pièce de monnaie pipée. En ce qui concerne le point froid, les données montrent que la probabilité qu’il s’agisse d’un coup de chance est d’une sur 200. Pas impossible, mais pas probable non plus.
Certains scientifiques avaient suggéré que le point froid était dû à une erreur instrumentale ou à la façon dont les données étaient analysées. Mais en 2013, de nouvelles observations du satellite Planck ont confirmé les détections antérieures de la tache froide. Et cela a exigé une explication.
Ce qui émerge maintenant comme l’hypothèse principale est un supervoïde cosmique. Toute la matière du cosmos – galaxies et matière noire invisible – s’étend dans l’espace en un vaste réseau de feuilles, de vrilles et de filaments. Entre les deux, il y a des poches de vide appelées « vides », qui ont de nombreuses formes et tailles. Un vide vraiment grand pourrait agir comme une sorte de lentille déformante, faisant apparaître le CMB plus froid qu’il ne l’est réellement.
Alors qu’un photon se déplace dans un vide, l’univers continue de s’étendre de plus en plus vite
La raison est la suivante : Lorsque la lumière traverse un vide, elle perd de l’énergie et sa fréquence diminue, se déplaçant vers les basses fréquences, l’extrémité rouge du spectre. Comme la plupart des choses, la lumière est sensible à l’influence de la gravité, qui peut agir sur les photons tout au long de leur voyage. À l’intérieur d’un vide, cependant, le manque de matière signifie qu’il n’y a pratiquement aucune gravité pour influencer la lumière. Pour un photon, voler dans le vide, c’est comme escalader une colline. Et grimper demande de l’énergie.
Mais le photon peut récupérer cette énergie. Une fois sorti du vide, il se retrouve à nouveau entouré de matière, et l’influence gravitationnelle est suffisante pour tirer sur lui, lui injectant l’énergie qu’il avait perdue.
Pour qu’un photon perde de l’énergie, il faut l’expansion accélérée de l’univers. Pendant qu’un photon se traîne à l’intérieur d’un vide, l’univers continue de s’étendre de plus en plus vite. Au moment où le photon quitte le vide, il constate que, grâce à cet étirement cosmique, toute la matière s’est étalée. Comme la matière est maintenant plus largement répartie, son effet gravitationnel n’est pas aussi fort. Elle ne peut pas tirer sur le photon avec la même force qu’avant, et le photon ne peut pas récupérer l’énergie qu’il avait auparavant.
Il pourrait y avoir un vide à moins de 3 milliards d’années-lumière
Les physiciens ont travaillé sur ce phénomène à la fin des années 1960, mais personne ne l’avait réellement observé. Mais après la découverte du point froid, des astronomes comme Istvan Szapudi, de l’université d’Hawaï, ont commencé à chercher des preuves de ce comportement, appelé effet intégré Sachs-Wolfe, ou ISW. En 2008, il l’a trouvé.
L’étonnant super-vide
Szapudi ne pouvait pas identifier les vides individuels laissant derrière eux des empreintes sur le CMB – il n’avait pas les données pour le faire. Au lieu de cela, lui et son équipe ont cherché un effet ISW global dans une analyse statistique de 100 vides et amas de galaxies, dont le poids gravitationnel crée un effet de réchauffement et laisse des points chauds dans le CMB. Les chercheurs ont trouvé un véritable effet ISW, modifiant la température du CMB d’environ 10 millionièmes de kelvin en moyenne, soit 10 microkelvin.
Par rapport au point froid, qui est environ 70 microkelvin plus froid que la moyenne du CMB, l’effet est faible. Mais le but était de montrer que les vides pouvaient créer des points froids. Si un vide était suffisamment grand, il pourrait vraisemblablement créer le point froid. « Si ce point froid est la plus grande anomalie du CMB, cela pourrait très bien être le signe d’un vide énorme, un vide très rare dans l’univers », explique Szapudi. « J’ai donc pensé que nous devrions maintenant le rechercher. »
Le vide est énorme. Il a un rayon de 220 mégaparsecs
Sa première tentative, en 2010, s’est avérée vide. Mais les données étaient limitées, ne couvrant que quelques points à l’intérieur de la tache. De manière intrigante, les résultats ont également montré qu’il pourrait y avoir un vide à moins de 3 milliards d’années-lumière.
L’année dernière, lui et son équipe ont essayé à nouveau, cette fois avec des charges plus de données, couvrant plus de 200 fois plus de ciel et englobant l’ensemble du point froid. Avec une couverture beaucoup plus grande – composée de milliers de galaxies – ces premiers indices se sont transformés en un véritable vide. Les données étaient sans équivoque. « Nous sommes absolument sûrs qu’il y a un vide », déclare Szapudi. « Je parierais ma maison là-dessus. »
Et le vide est énorme. Il a un rayon de 220 mégaparsecs, soit plus de 700 millions d’années-lumière, ce qui en fait l’une des plus grandes – si ce n’est la plus grande – structures physiques de l’univers.
Un vide aussi grand est peu commun, il n’en existe peut-être qu’une poignée, selon Szapudi. Le fait qu’un vide aussi rare chevauche le point froid – lui-même une autre rareté – semble trop improbable pour être une simple coïncidence. Il est plus probable, selon lui, que le vide soit à l’origine de la tache froide. En fait, il a calculé que ce scénario était 20 000 fois plus probable que si les deux objets s’étaient simplement alignés par hasard.
D’autres ne sont pas encore sûrs. Pour des astronomes comme Patricio Vielva, de l’Université de Cantabrie en Espagne, qui a dirigé la découverte du point froid en 2004, la rareté du vide est encore en question. S’il s’avère que de tels vides sont plus répandus, alors cet alignement ne serait pas si remarquable. Peut-être s’agit-il simplement d’une coïncidence. C’est pourquoi les chercheurs ont besoin de plus de données pour évaluer la rareté de ces super-vides. « À l’heure actuelle, je pense que c’est l’une des choses les plus importantes à établir », déclare Vielva.
Pas assez froid
Mais il y a un plus gros problème.
Le supervoïde ne peut pas rendre le CMB assez froid. Un supervoid de cette taille ne peut refroidir le CMB que de 20 microkelvin. Le point froid, cependant, est en moyenne plus froid de 70 microkelvins. En certains points, la baisse de température est de 140 microkelvins.
Une raison possible derrière cette divergence est que le vide est en fait plus grand que ce qui a été mesuré. Si c’est le cas, son effet ISW serait plus fort. Compte tenu des incertitudes des mesures de Szapudi, le rayon du vide pourrait s’étendre jusqu’à 270 mégaparsecs. Pourtant, selon Vielva, même cela n’est pas assez grand pour expliquer le point froid.
En fait, selon les théories actuelles de la cosmologie, l’univers pourrait même ne pas être capable de former un vide suffisamment grand. « Le problème est que le type de vide dont vous avez besoin pour cet effet est inexistant », dit Vielva.
Plus d’observations permettront aux astronomes d’obtenir des mesures plus précises de la taille et des propriétés du superpoids
Mais si ce n’est pas un vide, alors quoi ? Peut-être, selon Vielva, le point froid est-il dû à une texture cosmologique, un défaut dans l’univers analogue aux fissures ou aux taches que l’on trouve dans la glace. Au cours de son évolution, l’univers primitif a subi une transition de phase similaire à celle qui se produit lorsque l’eau gèle, passant du liquide au solide. Dans la glace, on obtient des défauts lorsque les molécules d’eau ne sont pas alignées. Dans l’univers, on peut obtenir des textures. En 2007, Vielva a contribué à montrer que si une texture existe, elle pourrait créer le point froid via l’effet ISW.
Les textures, cependant, sont spéculatives, et personne n’a vu de preuve de leur existence. « Les textures sont une belle idée, mais nous n’avons aucun indice pour savoir si ces choses sont réalistes ou non », déclare Rien van de Weijgaert, astronome à l’Université de Groningue aux Pays-Bas.
Pour la plupart des astronomes, dit van de Weijgaert, un supervoïde semble encore la meilleure explication. « À l’heure actuelle, elle est considérée comme l’une des options les plus crédibles », dit-il. « C’est l’ampleur de l’effet qui pourrait susciter des questions, mais ce n’est pas incroyable. »
Pour être sûr, l’hypothèse du vide est certainement intrigante, dit Vielva. Mais l’écart de température doit d’abord être résolu.
Nous ne connaissons tout simplement pas la fin de l’histoire. Je ne pense pas que quiconque sache
Plus de données aideraient. Par exemple, plus d’observations permettront aux astronomes d’obtenir des mesures plus précises de la taille et des propriétés du supervoïde. Elles pourraient également révéler s’il y a un vide plus petit au premier plan, ce qui pourrait contribuer à refroidir le CMB. Peut-être, le point froid est-il si frigide parce que le superpoids se trouve également devant une région du CMB qui est déjà un peu plus froide que la normale.
Même si les chiffres ne s’additionnent pas maintenant, ce n’est pas une raison pour s’inquiéter. « À ce stade, comme les incertitudes sont très grandes, il ne faut pas perdre le sommeil à cause de cela », déclare Carlos Frenk, astrophysicien à l’université de Durham au Royaume-Uni. Son intuition est qu’avec davantage de données et d’analyses, le superpoids apparaîtra comme la bonne réponse. « Si c’est le cas, le point froid représentera la première mesure d’un objet – un supervoïde – laissant une empreinte sur le CMB via l’effet ISW. C’est significatif en partie parce que le supervoïde est simplement si énorme. Le supervoïde pourrait être important d’une autre manière : « Nous avons un moyen supplémentaire d’étudier l’énergie sombre, qui est la chose la plus bizarre de l’univers », dit Szapudi.
L’effet ISW ne fonctionne que parce que l’univers s’étend de plus en plus vite, et la force mystérieuse qui pousse le cosmos à se séparer est l’énergie sombre. En mesurant l’effet ISW à partir du supervoïde, les chercheurs peuvent sonder l’influence de l’énergie noire – et mieux comprendre comment elle se comporte et ce qu’elle est.