Les mathématiciens remettent en question l'énergie sombre : les équations d'Einstein pourraient expliquer naturellement l'accélération cosmique

Des mathématiciens de l'Université de Californie à Davis ont présenté un défi significatif à l'explication prédominante de l'expansion accélérée de l'univers. Dans une étude publiée dans Proceedings of the Royal Society A, l'équipe soutient que le modèle standard repose sur un cadre mathématique intrinsèquement instable. Leurs calculs suggèrent que l'accélération cosmique pourrait émerger naturellement de la théorie originale de la gravité d'Einstein, éliminant potentiellement le besoin du composant mystérieux connu sous le nom d'énergie sombre.

La recherche se concentre sur le modèle Lambda-matière noire froide, qui a été le cadre principal pour décrire l'évolution de l'univers depuis le Big Bang. En analysant les équations d'Einstein-Euler, qui combinent la relativité générale avec la dynamique des fluides, les chercheurs ont constaté que les espaces-temps de Friedmann – la fondation des modèles d'expansion conventionnels – sont instables à la fois aux petites et aux grandes échelles. Blake Temple, auteur correspondant de l'étude et professeur émérite distingué de mathématiques à l'UC Davis, a comparé cette instabilité à un crayon équilibré verticalement sur sa pointe. Bien qu'un tel état représente une solution où les forces sont en équilibre, il est physiquement inobservable car la moindre perturbation provoque son effondrement.

Temple a expliqué que les solutions instables en physique sont généralement considérées comme non physiques car elles ne seraient jamais observées dans la nature. L'analyse de l'équipe indique que l'univers évolue naturellement loin du comportement prédit par ces modèles conventionnels. Par conséquent, l'expansion accélérée pourrait ne pas nécessiter une forme d'énergie séparée pour être expliquée. Au contraire, la réponse pourrait déjà être contenue dans les équations originales d'Einstein, offrant une explication plus simple et plus naturelle que l'énergie sombre.

Pendant près de trois décennies, l'énergie sombre a été l'explication principale de la découverte selon laquelle l'univers ne fait pas seulement qu'augmenter, mais accélère. Ce concept remonte à la théorie de la relativité générale d'Einstein de 1915. Bien qu'Einstein ait initialement introduit une « constante cosmologique » pour maintenir un univers statique – une démarche qu'il a plus tard qualifiée de sa plus grande erreur après que Edwin Hubble eut découvert l'expansion en 1929 –, le terme est revenu au premier plan dans les années 1990 lorsque les astronomes ont observé une accélération de l'expansion cosmique. Aujourd'hui, cela est associé à l'énergie sombre au sein du modèle standard de l'univers de Friedmann, qui suppose que l'espace s'étend tandis que la matière reste uniformément répartie.

Les chercheurs ont initialement exploré si une onde de choc massive pourrait expliquer l'expansion et son accélération. Ils ont identifié une famille de solutions autosimilaires pendant l'époque du rayonnement du Big Bang qui pourraient modéliser une onde en expansion. En utilisant une forme autosimilaire des équations d'Einstein, ils ont traité le modèle cosmologique standard comme un point de repos pour examiner comment de petits écarts par rapport à cet état se comporteraient au fil du temps. Leurs résultats suggèrent que les descriptions conventionnelles sont vulnérables à des perturbations qui grandissent plutôt que de s'estomper.

Temple a déclaré que leur travail prouve que les espaces-temps de Friedmann sont instables face aux perturbations radiales à grande échelle, tout comme le modèle statique d'Einstein. Cette instabilité semble éliminer le modèle Lambda-matière noire froide en tant que solution stable viable des équations d'Einstein, qu'il inclue ou non l'énergie sombre. Les perturbations radiales, qui varient avec la distance par rapport à un point central, peuvent amener un univers en expansion à s'écarter des prédictions standard. Les chercheurs soutiennent que si le Big Bang peut ressembler à un espace-temps de Friedmann près d'un centre de symétrie, les observateurs loin de ce centre observeraient génériquement des accélérations.

Au-delà des implications pour l'énergie sombre, l'étude soulève des questions fondamentales concernant le principe copernicien, qui stipule que notre emplacement dans l'univers n'est ni spécial ni privilégié. Le cadre alternatif des chercheurs introduit un centre de symétrie sphérique, suscitant des interrogations sur l'endroit où un observateur doit se trouver pour que le modèle corresponde aux observations. Temple a soutenu que tant le modèle standard Lambda-matière noire froide qu'un espace-temps à symétrie sphérique produisent un lieu spécial où les observateurs doivent se situer pour que les modèles soient physiquement plausibles. Il a noté que si le principe copernicien élimine l'un, il doit éliminer l'autre.

Les résultats représentent un défi théorique à la cosmologie standard plutôt qu'une preuve observationnelle que l'énergie sombre est inutile. Déterminer si cette alternative peut décrire l'univers réel nécessitera d'évaluer dans quelle mesure ses prédictions correspondent aux observations astronomiques. Si des travaux théoriques et observationnels supplémentaires soutiennent leur interprétation, cela pourrait conduire à une réévaluation significative de la façon dont les scientifiques comprennent l'expansion cosmique et les fondements mathématiques du Big Bang. La recherche a reçu un financement du Conseil de recherche en ingénierie et sciences physiques du Royaume-Uni et du programme SQuaREs de l'American Institute of Mathematics.

Sources: ScienceDaily.