L‘une des composantes essentielles de la cosmologie est la compréhension du fait que l’univers s’étend uniformément dans toutes les directions. Cette expansion a été prédite il y a plusieurs décennies et appuyée par des mesures du fond diffus cosmologique. Mais de nouvelles observations de rayons X suggèrent maintenant que ce n’est peut-être pas le cas, certaines zones pourraient s’étendre plus rapidement que d’autres.

Selon l’hypothèse de l’isotropie, l’univers a plus ou moins les mêmes propriétés dans toutes les directions. C’est vrai à l’échelle absolument gigantesque du cosmos, il y a évidemment des différences à l’échelle locale.

Cette idée est un des piliers de la cosmologie depuis des décennies, et des observations récentes l’ont confirmée. En 2013, l’Agence spatiale européenne (ESA) a dévoilé une carte réalisée par le télescope spatial Planck du fond diffus cosmologique (CMB), le rayonnement résiduel du Big Bang (image ci-dessous). Et comme prévu, elle était « presque parfaite », avec seulement de minuscules variations de température dans différentes directions.

La carte ci-dessous présente la plus ancienne lumière dans notre univers, comme elle a été détectée avec la plus grande précision par la mission Planck. La lumière antique, appelée le fond diffus cosmologique, a été imprimée sur le ciel quand l’univers avait 370 000 ans. Elle montre les minuscules fluctuations de température qui correspondent aux régions aux densités légèrement différentes, représentant les graines de toute la future structure : les étoiles et les galaxies d’aujourd’hui.

Mais regarder le fond diffus cosmologique, c’est regarder l’univers à l’époque où il était en train de naître dans le cosmos, à peine âgé de 380 000 ans. Avancez rapidement de 13,5 milliards d’années, et rien ne garantit que l’univers soit encore aussi uniforme aujourd’hui. C’est exactement ce que la nouvelle étude s’est attachée à étudier, et les résultats ont surpris les chercheurs.

Selon Konstantinos Migkas, coauteur de l’étude :

Avec des collègues de l’université de Bonn et de l’université de Harvard, nous avons examiné le comportement de plus de 800 amas de galaxies dans l’univers actuel. Si l’hypothèse de l’isotropie était correcte, les propriétés des amas seraient uniformes dans le ciel. Mais nous avons en fait constaté des différences significatives.

L’équipe a fait ces observations en utilisant une série d’observatoires spatiales à rayons X, dont le XMM-Newton de l’ESA, le Chandra de la NASA et le ROSAT de l’Allemagne. Cela leur a permis de prendre la température du gaz chaud dans ces amas de galaxies, et de comparer les résultats à la luminosité de ces objets dans le ciel.

L’amas de galaxies XLSSC006, comprenant quelque centaines de galaxies, observé par le satellite artificiel d’observation des rayons X XMM-Newton. On pense que les amas de galaxies sont répartis assez uniformément dans le ciel. (ESA/ XMM-Newton/ CFHT-LS/ XXL Survey)

Si l’univers était le même dans toutes les directions, et qu’il se développait partout au même rythme, alors les amas de galaxies qui se trouvaient à la même température et à la même distance devraient avoir une luminosité similaire. Mais à leur grande surprise, les chercheurs ont constaté que ce n’était pas le cas.

Selon Thomas Reiprich, coauteur principal de l’étude :

Nous avons vu que des amas ayant les mêmes propriétés, avec des températures similaires, semblaient être moins brillants que ce à quoi on pouvait s’attendre dans une direction du ciel, et plus brillants que prévu dans une autre direction. La différence était assez importante, environ 30 %. Ces différences ne sont pas aléatoires, mais présentent un schéma clair en fonction de la direction dans laquelle nous avons observé le ciel.

Sur cette nouvelle carte aux rayons X, les régions jaunes de l’espace s’étendent plus rapidement, tandis que les régions violettes s’étendent plus lentement. (Migkas et Coll./ Astronomy & Astrophysics)

L’équipe a exclu d’autres facteurs qui pourraient influencer les résultats. Les données ne confirment pas l’idée que les nuages de poussière et de gaz rendent certaines zones plus pâles, ni l’idée que les énormes effets gravitationnels des amas affectent les mesures. Cela laisse à l’équipe la possibilité d’estimer que les différentes parties de l’univers se développent à des rythmes différents.

Les implications de ce phénomène sont énormes. De nombreuses mesures astronomiques sont basées sur l’hypothèse fondamentale que certains paramètres cosmologiques sont constants dans tout l’univers, donc on ne sait pas sur quoi d’autre on se trompe.

Selon Migkas

Si l’univers est vraiment anisotrope, même si ce n’est que depuis quelques milliards d’années, cela signifierait un énorme changement de paradigme car la direction de chaque objet devrait être prise en compte lorsque nous analysons leurs propriétés. Par exemple, aujourd’hui, nous estimons la distance des objets très éloignés dans l’univers en appliquant un ensemble de paramètres et d’équations cosmologiques. Nous pensons que ces paramètres sont les mêmes partout. Mais si nos conclusions sont justes, ce ne serait pas le cas et nous devrions revoir toutes nos conclusions précédentes.

Heureusement, les chercheurs ne recommandent pas un retour hâtif à la case départ. Ils admettent que l’échantillon est relativement petit et que davantage de données seront nécessaires avant de pouvoir accepter des conclusions aussi profondes. Les futures missions à rayons X, comme le futur télescope spatial Euclid de l’ESA, fourniront ces données supplémentaires.

L’étude publiée dans Astronomy & Astrophysics : Probing cosmic isotropy with a new X-ray galaxy cluster sample through the LX–T scaling relation et présentée sur le site de l’ESA : Rethinking cosmology: Universe expansion may not be uniform.