Introduction
Un point, qui peut être structurellement intéressant, est de considérer les mesures qui posent problème .
Astrophysique vs Cosmologie
D’une part, pour les mesures à z< 1, cette constante est évaluée en utilisant un phénomène astrophysique, par exemple, le fait que la luminosité intrinsèque (absolue) des supernovas est réputée constante, ce qui en fait des « chandelles standards », on utilise alors la distance de luminosité (une observable) et le décalage spectral (une autre observable) pour évaluer cette constante.
D’autre part on évalue cette constante en utilisant un phénomène cosmologique (le rayonnement de fond cosmologique: RFC ou CMB en anglais) dont, par analyse de la répartition des inhomogénéités et leur propagation dans le plasma primordial, on déduit une taille (physique) de l’univers au moment du découplage (z =1089). Ceci permet alors d’utiliser la distance angulaire puisque l’analyse du RFC donne son « diamètre angulaire » par le premier pic de la transformée de Fourier spatiale. Avec cette distance angulaire et le décalage spectral on peut calculer la constante de Hubble.
Isotropie et homogénéité en question
Indépendamment d’éventuelles erreurs dans les mesures , le fait, que d’un côté c’est la mesure d’un phénomène astrophysique (les SN1A,par exemple) et de l’autre d’un phénomène cosmologique (le RFC dont on déduit la taille de l’univers), n’est-il pas une piste pour expliquer cette incompatibilité?
En effet, par rapport à la dynamique globale de l’univers (du big bang à nos jours) , la mesure astrophysique n’en concerne qu’une infime partie (z<1) qui n’est pas nécessairement représentative de celle de l’univers dans sa globalité.
Il s’agit d’une mesure « locale », même si la distance est grande, ceci voulant dire que des inhomogénéités « locales » (à cette échelle) par rapport à la globalité de l’univers dont les paramètres régissent la dynamique de l’ensemble de l’univers, peuvent jouer un rôle significatif localement.
En effet l’hypothèse, a priori, d’homogénéité et d’isotropie, à grande échelle de l’univers n’est pas validée par les mesures (grands relevés), et les simulations qui mettent en évidence une structure en éponge à l’échelle de l’univers.
La méthode « perturbative » utilisée pour expliquer comment des « surdensités locales » ont permis la création des grandes structures et galaxies avec leurs étoiles semble s’appliquer à l’échelle de l’univers (structure en éponge) et il est légitime de se demander si cela n’est pas sans influence sur la dynamique globale comme certaines études le proposent et qu’un phénomène qu’on a traité de manière « perturbative » (sans effet sur la dynamique cosmologique) est vraiment sans effet au niveau global.
Fiabilité de la méthode cosmologique (Planck)
Si, à ce titre la mesure cosmologique doit mieux refléter la dynamique de l’univers dans sa globalité, notons toutefois que, dans cette mesure, les inhomogénéités, mesurées par la collaboration Planck, résultent de phénomènes antérieurs au RFC (lui-même à z =1089), modélisés par des comportements (entre-autres) de propagation d’ondes acoustiques dans des plasmas, qui au début du phénomène sont dans des conditions extrêmes, que nous ne savons, sans doute, pas reproduire.
Ceci introduit un autre paramètre d’incertitude. En effet, si le LHC peut en créer des quantités infimes de plasma très chaud, jusqu’à quelques TeV, dans le phénomène le plasma constitue l’univers entier et nous n’avons pas la capacité de tester expérimentalement une telle situation. Cela peut faire une différence!
Cohérence entre les mesures astrophysiques et cosmologiques?
La relativité générale stipule que l’univers est totalement déterminé par la nature physique et répartition des ses éléments « astrophysiques », en vertu du principe de Mach, principe qui a inspiré Einstein dans la construction de sa théorie. En particulier il justifiait la nature de l’inertie par l’interaction gravitationnelle entre toutes les masses de l’univers.
Ceci invoque implicitement la gravitation modélisée géométriquement par une variété en relativité générale. Notons que le modèle géométrique d’un objet n’est pas l’objet qui est de nature physique (il ne sont pas de même nature), mais illustre sa phénoménologie.
En particulier le modèle géométrique de la relativité générale décrit de manière très élégante (non linéaire) la dynamique (ce qui intéresse le physicien) des objets dans le système défini par la géométrie globale. Ceci implique -t-il que les phénomènes astrophysiques sont cohérents (conduisent aux mêmes résultats) avec les phénomènes cosmologiques. Par construction, la réponse de la relativité est positive.
Mais peut-on le vérifier expérimentalement? Ce n’est pas si simple, car les modèles déduits de la théorie et de l’expérience (la théorie ne définit pas la constitution astrophysique de l’univers, c’est une donnée expérimentale, elle définit le système (ici l’univers) correspondant à ces données. Il se trouve que dans les univers résultant de l’application de cette méthode, on est amené à supposer de la matière noire et de l’énergie noire (le tout à hauteur de 95%), de nature inconnue pour proposer des solutions de la relativité générale satisfaisant aux observations.
Ceci peut être une piste de réflexion pour comprendre les incompatibilités entre les mesures astrophysiques et cosmologiques.
L’inhomogénéité peut-elle être invoquée pour expliquer l’incompatibilité ?
Indépendamment de l’argumentaire développé au paragraphe précédent, il faut rappeler que l’homogénéité et l’isotropie supposée de l’univers, (principe copernicien, mais aussi hypothèse simplificatrice permettant d’obtenir une solution analytique) n’est valable qu’à l’échelle de l’univers) mais que localement (à l’échelle cosmologique z<1), au niveau des lois, ceci ne serait pas totalement vérifié (de petites disparités pourraient exister) !
Les observations et simulations montrent, qu’en fait, même à des échelles considérables la matière est concentrée sur les filaments et est loin d’être parfaitement homogène et isotrope (structure en « éponge).
Par exemple nous pourrions être dans une bulle locale (taille z <1) de sur-densité ou de sous-densité, ce qui, selon les équations, impliquerait une différence de la valeur de la constante de Hubble avec celle calculée à une échelle beaucoup plus grande.
D’une part, une mesure de la constante de Hubble dans la bulle (z<1) où nous serions, ce qui est effectif pour nous et d’autre part, une mesure de la constante de Hubble , pour l’univers homogène et isotrope (z>>1).
Notons qu’un autre observateur, à l’extérieur de la bulle, dans une région où l’homogénéité et l’isotropie, avec les paramètres de l’univers, seraient respectées, obtiendrait les mêmes résultats avec les mesures astrophysique et cosmologique !
Dans cette hypothèse la relativité générale ne serait pas en cause, ce serait une approximation abusive des paramètres qu’il faudrait invoquer.
Ainsi les deux mesures seraient « correctes » mais se rapporteraient à deux phénomènes différents.
Et la théorie dans tout cela?
La théorie (l’équation d’Einstein) ne dit pas de quoi l’univers est fait, elle décrit simplement sa dynamique en fonction des paramètres physiques qu’on y introduit.
Ce qu’on peut lui reprocher (à juste titre) c’est de ne pas intégrer les phénomènes quantiques, ce qui peut être la source de ces problèmes. Si cela est réalisé un jour, un grand pas sera franchi dans notre connaissance de l’univers, car il n’est pas douteux que dans les conditions d’énergie extrême qu’a connu l’univers ils ont joué un rôle. Notons que cela est marginalement introduit pour expliquer le spectre de puissance du RFC.
La constante cosmologique est-elle constante?
Les derniers éléments recueillis par l’instrument DESI, ouvrent une possibilité d’affaiblissement de cette constante au cours de l’évolution de l’univers, tel que modélisé dans la métrique de Robertson-Walker (modèle chronologique, voir autres possibles descriptions dans d’autres pages du site).
Le document ci dessous à télécharger donne les éléments principaux de l’approche standard pour traiter ce problème, on y trouvera, entre autres formules et équations, la définition des termes employés.