La croissance de la structure cosmique a été mystérieusement supprimée

Une représentation artistique de la matière dans l’univers primitif se fusionnant lentement en structures cosmiques plus grandes dans l’univers tardif. Crédit : Minh Nguyen, Université du Michigan et Thanh Nguyen (mari)

Les scientifiques ont découvert que les structures cosmiques se développent plus lentement que ne le prédisait la théorie de la relativité générale d’Einstein, l’énergie noire jouant un rôle inhibiteur plus dominant qu’on ne le pensait auparavant. Cette découverte pourrait remodeler notre compréhension de la matière noire, de l’énergie noire et des théories cosmologiques fondamentales.

À mesure que l’univers évolue, les scientifiques s’attendent à ce que les grandes structures cosmiques se développent à un certain rythme : les régions denses telles que les amas de galaxies deviendront plus denses, tandis que le vide de l’espace se videra.

Cependant, des chercheurs de l’Université du Michigan ont découvert que le taux de croissance de ces grandes structures est plus lent que ne le prédisait la théorie de la relativité générale d’Einstein.

Ils ont également montré que même si l’énergie noire accélère l’expansion globale de l’univers, la suppression de la croissance de la structure cosmique que les chercheurs constatent dans leurs données est plus prononcée que ne le prédit la théorie. Leurs résultats ont été publiés le 11 septembre dans la revue Lettres d’examen physique.

La toile cosmique

Les galaxies sont interconnectées dans tout notre univers comme une toile d’araignée cosmique géante. Leur répartition n’est pas aléatoire. Au lieu de cela, ils ont tendance à se regrouper. En fait, l’ensemble de la toile cosmique a commencé comme de petits amas de matière dans l’univers primitif, qui se sont progressivement développés en galaxies individuelles, et finalement en amas et filaments de galaxies.

« Au cours du temps cosmique, un petit morceau de masse attire et accumule de plus en plus de matière de sa région locale par interaction gravitationnelle. À mesure que la région devient plus dense, « elle finit par s’effondrer sous sa propre gravité ».

« Ainsi, à mesure qu’ils s’effondrent, la densité des touffes augmente. C’est ce que nous entendons par croissance. C’est comme un métier à tisser où les effondrements à une, deux et trois dimensions ressemblent à une feuille, un fil et un nœud. La réalité est une combinaison de ces trois états, et vous avez des galaxies vivant le long des fils tandis que des amas de galaxies – des amas de milliers de galaxies – les objets les plus massifs de notre univers liés par la gravité – se trouvent dans les nœuds.

Énergie sombre et expansion cosmique

L’univers n’est pas uniquement constitué de matière. Il contient également probablement un composant mystérieux appelé énergie noire. L’énergie noire accélère l’expansion de l’univers à l’échelle mondiale. Alors que l’énergie noire accélère l’expansion de l’univers, elle a l’effet inverse sur les structures plus grandes.

« Si la gravité agit comme un amplificateur qui favorise la transformation des perturbations de la matière en une structure à grande échelle, alors l’énergie noire agit comme un amortisseur sur ces perturbations et ralentit la croissance de la structure », a déclaré Nguyen. « En étudiant comment la structure cosmique s’assemble et se développe, nous pouvons essayer de comprendre la nature de la gravité et de l’énergie noire. »

Méthodologie et sondes

Nguyen, Dragan Huterer, professeur de physique à l’Université du Maryland, et Yuyu Wen, étudiant diplômé de l’Université du Maryland, ont examiné la croissance temporelle d’une structure à grande échelle tout au long du temps cosmique à l’aide de plusieurs sondes cosmologiques.

Tout d’abord, l’équipe a utilisé ce qu’on appelle le fond cosmique des micro-ondes. Le fond cosmique des micro-ondes, ou CMB, est constitué de photons émis directement après… le Big Bang. Ces photons fournissent un instantané du tout premier univers. Lorsque les photons se déplacent vers nos télescopes, leur trajectoire peut être déformée ou affectée par la gravitation en raison d’une structure étendue en cours de route. En les examinant, les chercheurs peuvent déduire comment la structure et la matière sont réparties entre nous et le fond diffus cosmologique.

Nguyen et ses collègues ont profité d’un phénomène similaire de faible lentille gravitationnelle des formes des galaxies. La lumière des galaxies d’arrière-plan est déformée par les interactions gravitationnelles avec la matière et les galaxies du premier plan. Les cosmologistes décodent ensuite ces distorsions pour déterminer comment la matière intermédiaire est distribuée.

« Il est crucial que, puisque le CMB et les galaxies d’arrière-plan se trouvent à des distances différentes de nous et de nos télescopes, la faible lentille gravitationnelle des galaxies explore généralement les distributions de matière plus tard que celle du CMB », a déclaré Nguyen.

Pour retracer la croissance de la structure jusqu’à des époques ultérieures, les chercheurs ont également utilisé les mouvements des galaxies dans l’univers local. Lorsque les galaxies tombent dans les puits gravitationnels des structures cosmiques sous-jacentes, leurs mouvements suivent directement la croissance de la structure.

« La différence dans les taux de croissance que nous sommes susceptibles de détecter devient plus prononcée à mesure que nous nous rapprochons de la situation actuelle », a déclaré Nguyen. « Individuellement et collectivement, ces différentes investigations indiquent une inhibition de la croissance. Soit il nous manque une erreur systématique dans chacune de ces sondes, soit il nous manque une nouvelle physique à un stade avancé dans notre modèle standard. »

Gestion du stress S8

Les résultats pourraient potentiellement répondre à la tension dite S8 en cosmologie. S8 est un paramètre décrivant la croissance de la structure. Des tensions surviennent lorsque les scientifiques utilisent deux méthodes différentes pour déterminer la valeur de S8, mais qu’ils ne s’entendent pas. La première méthode, utilisant des photons du fond diffus cosmologique, indique une valeur S8 supérieure à la valeur déduite de la faible lentille gravitationnelle des galaxies et des mesures des amas de galaxies.

Aucune de ces sondes ne mesure aujourd’hui la croissance de la structure. Au lieu de cela, ils ont examiné la structure à des époques antérieures, puis ont extrapolé ces mesures à l’époque actuelle, en supposant le modèle standard. La structure des sondes de fond cosmique micro-ondes dans l’Univers primitif, tandis que la faible lentille gravitationnelle galactique et la structure des sondes en grappe dans l’Univers tardif.

Les découvertes des chercheurs sur la suppression tardive de la croissance mettraient les deux valeurs S8 en parfait accord, selon Nguyen.

« Nous avons été surpris par la signification statistique élevée de la suppression de la dysplasie », a déclaré Hutterer. « Honnêtement, j’ai l’impression que l’univers essaie de nous dire quelque chose. Notre travail maintenant, en tant que cosmologistes, consiste à interpréter ces résultats. »

« Nous aimerions renforcer les preuves statistiques de la suppression de la croissance. Nous aimerions également comprendre la réponse à la question plus difficile de savoir pourquoi les structures croissent plus lentement que prévu dans le modèle standard avec la matière noire et l’énergie noire. Cet effet peut être causé par de nouvelles propriétés de l’énergie noire et de la matière noire, ou une autre extension. » Pour la relativité générale et le modèle standard, nous n’y avons pas encore pensé.

Référence : « Preuve de la suppression de la croissance structurelle dans le modèle cosmologique conforme » par Nhat Minh Nguyen, Dragan Hutterer et Yue Wen, 11 septembre 2023, Lettres d’examen physique.
est ce que je: 10.1103/PhysRevLett.131.111001