• Judith Biernaux

Le sens de l'univers

Mis à jour : mai 18

L'univers est-il le même dans toutes les directions ?


"Lorsque vous avez éliminé l’impossible, ce qui reste, si improbable soit-il, est nécessairement la vérité" disait Sherlock Holmes dans Le Signe des quatre (1890). C'est un petit peu comme ça que fonctionne la recherche scientifique : une expérience, une observation, puis une enquête pour révéler les lois qui sous-tendent les faits. Idéalement, on passe ensuite par une étape de vérification, ou l'on teste l'une ou l'autre prédiction de la loi qu'on pense avoir trouvée. La pomme tombe ? Elle doit être attirée par la gravité terrestre. Vérifions : tout objet tombe avec la même accélération. Bravo Newton.


Parfois, l'idée d'une loi peut émerger non pas d'une observation, mais d'une expérience de pensée, d'un exercice mathématique. L'écoulement du temps dépend de la gravité et de la vitesse ? Vérifions : les horloges des satellites GPS accusent en effet un retard de 40 microsecondes par jour (soit une erreur de positionnement de 10 km) si on ne corrige pas des effets de la relativité. Bravo Einstein. Bien sûr, ce n'est pas toujours aussi facile : si une loi colle bien à une expérience mais échoue à en expliquer des dizaines d'autres, elle est probablement erronée. De même, plusieurs lois peuvent expliquer une seule et même expérience. On les départage en déclarant vainqueur la loi qui couvre le plus d'observations différentes.



Parfois, les possibilités d'explication sont trop nombreuses. Eliminer tout ce qui est impossible peut s'avérer un travail irréalisable. Alors, pour avancer malgré tout, on a parfois besoin d'être pragmatique, et de se focaliser sur ce qui semble le plus intuitif. Ainsi, on s'en remet parfois à des vérités communes, des principes, qu'on ne peut pas exactement prouver mais dont on pressent qu'ils sont corrects. Par exemple, le deuxième principe de la thermodynamique prédit que certains évènements sont irréversibles, comme le mélange du lait dans le café... ou l'écoulement du temps. Armés de ces principes, il est déjà un peu plus facile de trier ce qui est possible et ce qui ne l'est pas. C'est ainsi que l'humanité avance dans la recherche scientifique, ou que Sherlock Holmes progresse dans ses enquêtes : armé d'une procédure logique observation-hypothèse-vérification. Malgré son implacable bon sens, Sherlock Holmes n'en est pas moins humain : il se fie parfois à son intuition, à ses principes, ou est parfois victime de faiblesses, comme dans La Figure Jaune où il commet un excès de confiance. Il en va de même pour tout membre de la communauté scientifique : la recherche est faite par des cerveaux humains. Conscients de leurs limites, la plupart des chercheurs conservent face à toute déclaration une saine attitude de doute, et sont souvent très doués pour trouver des failles dans leurs raisonnements. Ou dans ceux de leurs collègues.


Amas de galaxies en rayons X


Nous voici en avril 2020. Une équipe menée par l'institut d'astronomie de Bönn publie un article au sujet d'observations menées sur des amas de galaxies lointains dans les rayons X, en mobilisant des données de pas moins de trois instruments différents, sur plus de 300 amas (note : il s'agit d'un mélange de données nouvelles et d'archive). L'équipe s'intéresse au lien entre la luminosité de ces amas et la distance à laquelle ils se trouvent de notre planète. À brillance égale, un objet lointain apparaît plus faible qu'un objet proche. Pour estimer la distance d'une galaxie sur base uniquement de la brillance reçue, il faut connaître sa "vraie" luminosité, émise de manière intrinsèque. En étudiant de plus près la quantité et la température des rayons X émis par chaque amas, l'équipe de Bönn a pu estimer la luminosité propre de chacun d'eux, et donc leurs distances. Ce qu'ils ont mesuré semble en désaccord avec l'un des principes fondamentaux de l'astrophysique : le principe d'isotropie de l'univers. Au début du vingtième siècle, la qualité croissante des instruments permet à l'observation de l'univers à très grandes distances, au-delà de notre galaxie, de prendre son essor. Avec toutes ces nouvelles observations, un paquet de loi attendent d'être découvertes. Mais devant ce travail titanesque, il convient de s'armer de quelques principes. Le principe d'isotropie stipule que l'univers est semblable dans toutes les directions à très grandes distance. Il se comporte de la même façon quelle que soit la direction dans laquelle on l'observe, pourvu qu'on regarde à des distances suffisamment élevées pour que les petits effets des planètes et des étoiles soient insignifiants. On parle de distances inter-galactiques, de milliards d'années-lumière (une année-lumière équivaut à à peine moins de dix mille milliards de kilomètres).


Ainsi, depuis le Big Bang il y a environ 14 milliards d'années, l'expansion de l'univers se produit à la même vitesse dans toutes les directions. L'univers n'aurait pas, par exemple, choisi une direction préférée dans laquelle il gonflerait plus vite que dans l'autre, pour finir complètement asymétrique. Ce principe est conforté par l'observation du résidu lumineux du Big Bang, le fond diffus cosmologique, rayonnement remarquablement isotrope, régulier dans toutes les directions, dans lequel baigne l'univers. L'équipe de Bönn a calculé les luminosités des amas étudiés via une deuxième méthode, qui dépend cette fois-ci du taux d'expansion de l'univers. Leur résultat : les deux méthodes sont en relatif bon accord... sauf dans deux régions du ciel. Dans ces deux directions, les deux méthodes donnent des luminosités indéniablement différentes, avec des désaccords de jusqu'à 30%. Voici qui jette le doute sur la véritable distance des amas de ces deux zones. C'est comme si l'expansion de l'univers semblait plus rapide dans l'une des ces directions, et plus lente dans l'autre.

À la poubelle, les principes ?


Démentir le principe d'isotropie reviendrait simplement à arracher l'un des piliers sur lequel se tient tout l'édifice de la physique actuelle. Alors, résultat aberrant ou formidable début d'une nouvelle science ? Les auteurs de l'étude ne l'ont pas publiée à la légère. Avant de remettre en cause le fameux principe, ils ont réfléchi à d'autres explications, plus simples, pour leur résultat surprenant (éliminer l'impossible, élémentaire mon cher Watson...). Peut-être des nuages de poussière absorbaient-ils une partie de la luminosité de certains amas ? Une difficulté d'observation dans la direction concernée à cause de la plus grande concentration en gaz chaud dans la galaxie ? Le travail minutieux des auteurs diminuent la probabilité d'un tel biais... mais ne la supprime pas. Un univers anisotrope permet d'expliquer ces résultats, certes, mais d'autres conclusions pourraient être avancées. Et si les amas incriminants subissaient des interactions gravitationnelles avec d'autres amas, encore plus massifs, qui les ralentiraient ou les accélèreraient dans une direction privilégiée ? Et si d'autres forces entraient en jeu qui étaient encore incomprises, comme la fameuse énergie sombre, moteur hypothétique de l'expansion de l'Univers ?

Quoiqu'il en soit, le résultat publié est fascinant. Quelle qu'en soit l'explication, cet article a mis le doigt sur un effet dont il faut tenir compte lors de futures observations aux rayons X à grande distance. Enfin, un seul article scientifique ne peut avoir la prétention de tout expliquer. Quid de toutes les études ayant confirmé le principe d'isotropie, et de la petite fraction l'ayant remis en doute comme celui-ci ? De telles études, qui secouent un principe scientifique, motivent de nombreuses autres équipes à reproduire, améliorer, développer leurs résultats, que ce soit pour défendre ou contredire l'instigateur du débat. En cela, ce sont de véritables détonateurs de recherche. Contrairement aux enquêtes de Sherlock Holmes, la science est une affaire collaborative, qui avance en zigzaguant, et qui prend du temps, parfois des décennies, avant de produire une conclusion qui s'approche de la vérité. Le détective peut faire le tour de toutes les possibilités pour les éliminer une à une. Le scientifique peut voir ses principes mis en doute à tout moment.


Sources


Lee Billings, Do we live in a lopsided universe ? In Scientific American, Apr 15, 2020


Migkas et al., 2020,, Probing cosmic isotropy with a new X-ray galaxy cluster sample through the LX–T scaling relation, A&A 636, A15 (2020))


Pages Web de l'ESA relatives à la mission XMM-Newton


0 vue

© 2023 par La Couleur. Créé avec Wix.com