EXPANSON COSMIQUE: Puzzle à résoudre!

 

La cosmologie moderne est confrontée à deux problèmes importants et déroutants concernant l'expansion et le contenu énergétique de l'univers. Les observations astronomiques – portant sur les supernovae de type Ia lointaines, le fond diffus cosmologique et la structure à grande échelle – montrent de manière cohérente que l'expansion de l'univers s'accélère. Le premier défi majeur provient d'un conflit fondamental entre la théorie et l'observation, connu sous le nom de problème de la constante cosmologique. Notre théorie la plus aboutie de la physique des particules, la théorie quantique des champs, prédit que le vide de l'espace devrait posséder une densité d'énergie intrinsèque due aux fluctuations quantiques, conduisant à une valeur théorique énorme. Cependant, dans le cadre du modèle cosmologique standard (ΛCDM), cette accélération est attribuée à l'énergie noire, mieux décrite par une constante cosmologique (Λ) dont la densité d'énergie mesurée est extraordinairement petite. Le cœur de l'énigme réside dans l'immense écart – célèbrement estimé à 120 ordres de grandeur – entre l'énergie du vide prédite théoriquement et la valeur infime déduite pour Λ à partir des observations, posant un sérieux défi d'ajustement fin à notre compréhension de la physique fondamentale.

Distinct de ce conflit théorie-observation se trouve la tension de Hubble, une énigme observationnelle concernant le taux d'expansion actuel de l'univers (H₀). Il existe un désaccord persistant entre la valeur de H₀ déduite des mesures de l'univers primordial (principalement le fond diffus cosmologique, analysé dans le cadre du modèle ΛCDM) et la valeur plus élevée obtenue à partir des mesures de l'univers tardif (telles que les supernovae calibrées avec des indicateurs de distance locaux). Cette tension statistiquement significative représente un conflit entre différentes techniques d'observation interprétées à travers le même modèle standard, suggérant soit des problèmes systématiques non résolus dans les mesures, soit des insuffisances potentielles dans la description de l'histoire de l'expansion cosmique par le modèle ΛCDM.

Des réanalyses récentes des données observationnelles, telles que celles présentées dans des études examinant les preuves issues des supernovae, soulignent l'importance cruciale du modèle cosmologique sous-jacent utilisé pour l'interprétation. Ces études remettent souvent en question l'hypothèse fondamentale du modèle ΛCDM standard d'une homogénéité et d'une isotropie parfaites à grande échelle, telle que décrite par la métrique de Friedmann-Lemaître-Robertson-Walker (FLRW) dans le cadre de la Relativité Générale (RG). En explorant des cadres alternatifs, intégrant potentiellement plus complètement les effets des structures cosmiques et des inhomogénéités dans un contexte RG (allant au-delà de l'application simplifiée de FLRW, qui pourrait être vue comme plus proche d'une idéalisation de type newtonien dans sa simplicité malgré l'utilisation des équations de la RG), ces analyses suggèrent que des phénomènes comme l'accélération cosmique ou la valeur spécifique de la constante de Hubble pourraient être partiellement mal interprétés. De manière cruciale, de tels travaux ne prétendent généralement pas que les mesures astrophysiques brutes (par exemple, la luminosité ou le décalage vers le rouge des supernovae) sont fausses. Au lieu de cela, ils postulent que le modèle utilisé pour traduire ces observations en paramètres cosmologiques comme Λ ou H₀ pourrait être inadéquat. Si l'univers s'écarte significativement de la régularité parfaite supposée dans le modèle standard, l'application d'un cadre RG plus réaliste et inhomogène pourrait conduire à des conclusions différentes sur l'énergie noire ou le taux d'expansion, soulageant potentiellement des tensions comme le désaccord sur H₀ en démontrant qu'elles sont des artefacts d'une interprétation théorique trop simplifiée plutôt que des mesures erronées.

Abordant la première énigme, le problème de la constante cosmologique, Laurent Nottale propose une solution ancrée dans sa théorie de la Relativité d'Échelle (RE). Ce cadre s'écarte fondamentalement de la physique standard en postulant que l'espace-temps est intrinsèquement fractal et non différentiable, et que les lois de la physique doivent présenter une covariance sous les transformations d'échelle (résolution). Nottale s'oppose au calcul standard de l'énergie du vide par la théorie quantique des champs, suggérant qu'il repose sur l'hypothèse erronée d'un arrière-plan d'espace-temps lisse. Au lieu de cela, ses travaux identifient l'origine de la constante cosmologique observée avec l'auto-énergie gravitationnelle négative des fluctuations quantiques au sein du vide des quarks. Invoquant le principe de Mach-Einstein (selon lequel l'énergie totale, y compris le couplage gravitationnel, doit s'annuler), cette auto-énergie négative doit être précisément annulée par une densité d'énergie positive inhérente au vide. De manière cruciale, la Relativité d'Échelle prédit que cette densité d'auto-énergie gravitationnelle varie différemment (en r⁻⁶, où r est l'échelle) de ce qui est généralement supposé, impliquant que la densité positive du vide doit également varier de cette manière. Pour que cette densité agisse comme une constante Λ, ces fluctuations du vide doivent effectivement se 'figer' à une échelle de transition spécifique, r₀, de telle sorte que Λ soit déterminée par la relation Λ = r_P⁴/r₀⁶ (où r_P est la longueur de Planck). Nottale propose que ce mécanisme de figeage est intrinsèquement lié au confinement des quarks. Alors que des paires quark-antiquark virtuelles fluctuent et sont étirées par l'expansion cosmique, le potentiel de confinement linéaire de la force forte conduit finalement à la création de nouvelles paires virtuelles ('bris de corde'). Cette création continue de paires à partir du champ de confinement compense la dilution due à l'expansion, maintenant une densité de fluctuation constante en dessous de cette échelle caractéristique. Cette échelle de transition critique, r₀, est identifiée avec la physique des hadrons les plus légers, spécifiquement la longueur d'onde de Compton associée à la masse effective des quarks dans le pion neutre (r₀ = 2ħ/m_π₀c). En calculant Λ en utilisant la masse mesurée du pion et la longueur de Planck dans ce cadre RE, Nottale dérive une valeur pour la densité de la constante cosmologique qui montre un accord remarquable avec la valeur observée par les mesures cosmologiques. Cette approche vise à résoudre l'écart de 120 ordres de grandeur en identifiant l'échelle physique correcte (échelle QCD/pion, pas l'échelle de Planck) et la loi d'échelle appropriée (r⁻⁶) dictée par la géométrie fractale, dérivant ainsi la constante cosmologique à partir de principes microphysiques plutôt que de la traiter comme une valeur inexpliquée finement ajustée.

Considérant ces défis cosmologiques distincts, les courants de recherche exemplifiés par la réanalyse récente des supernovae et les travaux de Nottale dans le cadre de la Relativité d'Échelle offrent des perspectives alternatives convaincantes. Le réexamen des données des supernovae, en remettant en question les hypothèses fondamentales du modèle standard comme l'homogénéité parfaite et en exigeant potentiellement une application plus nuancée de la Relativité Générale pour tenir compte de la structure cosmique, aborde directement l'interprétation des données observationnelles. De tels changements fondamentaux pourraient altérer significativement les valeurs dérivées des paramètres cosmologiques, y compris le taux d'expansion H₀, offrant ainsi une voie potentielle vers la résolution de la tension de Hubble en démontrant qu'elle pourrait provenir d'un modèle cosmologique trop simplifié. En complément de cette réévaluation à grande échelle, le cadre de la Relativité d'Échelle de Nottale s'attaque au problème de la constante cosmologique à ses racines quantiques. En dérivant la valeur observée de Λ à partir des principes microphysiques d'un espace-temps fractal et du comportement dépendant de l'échelle du vide des quarks, la RE fournit une explication potentielle pour la magnitude de la constante, contournant le problème de l'ajustement fin inhérent aux calculs standards de l'énergie du vide. Prises ensemble, ces approches – l'une scrutant le modèle cosmologique utilisé pour interpréter les observations à grande échelle et l'autre fournissant une dérivation fondamentale de Λ à partir d'une géométrie d'espace-temps révisée – représentent des voies prometteuses et synergiques vers la résolution potentielle à la fois de la tension de Hubble et du problème de la constante cosmologique, suggérant qu'une compréhension plus profonde de la relativité à travers toutes les échelles pourrait détenir la clé.