Des mathématiciens de l’University College de Londres et de l’Université de Californie à Davis ont publié une preuve mathématique que l’expansion accélérée de l’Univers peut être expliquée sans énergie noire, portant un coup dur au modèle de matière noire froide Lambda – le modèle cosmologique standard qui existe depuis près de 30 ans.
Il y a près de 30 ans, l’énergie noire a été proposée comme la force responsable de l’expansion accélérée de l’Univers.
L’idée rappelle les équations originales d’Albert Einstein de 1915 décrivant la gravité pour la relativité générale.
Pour produire un univers statique, Einstein a initialement introduit un facteur antigravité dans sa théorie. Il a appelé ce facteur la constante cosmologique.
Après qu’Edwin Hubble ait découvert que l’Univers était en expansion en 1929, Einstein a qualifié la constante cosmologique de « plus grande erreur », car sans elle, il aurait pu prédire l’expansion.
Cependant, la constante cosmologique et l’idée qu’elle est interchangeable avec l’énergie noire ont été réintroduites pour expliquer l’expansion accélérée de l’Univers dans les années 1990.
« La famille des espaces-temps de Friedmann a été le point de départ de la cosmologie moderne depuis que Lemaitre et Hubble ont formulé pour la première fois la théorie d’un univers de galaxies en expansion émanant d’une singularité initiale du Big Bang », ont déclaré le professeur Blake Temple et ses collègues de l’Université de Californie à Davis.
« La théorie est basée sur les solutions explicites des équations de champ d’Einstein découvertes par Alexander Friedmann au début des années 1920. »
« Comme le raconte l’histoire, en 1922, Friedmann a envoyé ses solutions à Einstein, qui les a d’abord rejetées, croyant que l’Univers était statique, mais les a acceptées peu de temps après comme correctes sous l’appel de Friedmann. »
« En 1931, Einstein rejetait le modèle statique comme étant instable et acceptant la mesure de l’Univers en expansion faite par Hubble en 1929, il est célèbre pour avoir décrit la cosmologie de Lemaitre basée sur les espaces-temps de Friedmann comme l’explication la plus belle et la plus satisfaisante de la création. »
« Dans notre nouvel article, nous donnons un théorème affirmant que les espaces-temps de Friedmann sont en fait tous instables aux perturbations radiales, à tout ordre. »
Le professeur Temple et ses co-auteurs ont recherché des explications alternatives à l’expansion accélérée de l’Univers.
« Notre première idée était que peut-être l’Univers était en expansion à cause d’une onde de choc, et que l’accélération anormale était l’onde en expansion derrière cette onde de choc », a déclaré le professeur Temple.
« Ensuite, nous avons réalisé qu’il existait une famille de solutions auto-similaires à l’époque des radiations du Big Bang, qui pourraient modéliser cette onde en expansion. »
Les équations auto-similaires décrivent des phénomènes physiques qui conservent un modèle ou une structure, quelle que soit son échelle.
Dans leur article, les mathématiciens utilisent une version auto-similaire des équations d’Einstein, qu’ils ont dérivées lors de travaux antérieurs, pour représenter le modèle standard de la cosmologie comme point de repos des équations.
Cela fournit le cadre d’une caractérisation mathématique complète de la stabilité du modèle standard et, plus généralement, de la stabilité de tous les espaces-temps de Friedmann pendant l’époque dominée par la matière du Big Bang.
« Nous prouvons que, comme le modèle statique d’Einstein, les espaces-temps de Friedmann sont tous instables aux perturbations radiales à grande échelle », a déclaré le professeur Temple.
« Cela semble exclure le modèle de matière noire froide Lambda en tant que solution stable et viable des équations d’Einstein de la relativité générale, avec ou sans énergie noire. »
« Cela signifie que le Big Bang devrait génériquement ressembler exactement à un espace-temps de Friedmann près du centre de symétrie, mais de manière générique, on devrait observer des accélérations s’éloignant de Friedmann loin du centre. »
Les chercheurs ont découvert que l’expansion accélérée de l’Univers est une conséquence directe des équations d’Einstein-Euler sans l’insertion d’une constante cosmologique ou d’énergie sombre.
Les mathématiques remettent également en question le principe copernicien, l’idée selon laquelle l’emplacement de la Terre n’occupe pas une place particulière dans l’Univers.
« Le modèle de matière noire froide Lambda et un espace-temps à symétrie sphérique produisent tous deux un endroit spécial où nous devons nous situer pour que le modèle soit physiquement plausible », a déclaré le professeur Temple.
« Si ce principe exclut l’un, il doit exclure l’autre. »
