Les cosmologies alternatives

Le modèle de la lumière fatiguée (II)

Dans un article publié dans les "MNRAS" en 2023, le physicien théoricien Rajendra P. Gupta (à ne pas confondre avec d'autres physiciens homonymes) de l'Université d'Ottawa au Canada, propose de donner une seconde chance à une ancienne théorie cosmologique afin de résoudre certains problèmes cosmologiques dont l'isotropie du rayon cosmologique, l'évolution primordiale des galaxies (qui semblent déjà formées et très actives quelques centaines de millions d'années seulement après le Big Bang) et les contradictions concernant l'effet Doppler de certaines supernovae.

Estimer l'âge de l'Univers revient à deviner l'âge d'un enfant en fonction de sa taille. En photographiant le ciel profond, les astronomes ont constaté que les galaxies éloignées semblent un peu plus rouges que prévu par les modèles (d'où la construction de télescopes sensibles à l'infrarouge comme le JWST pour les observer). L'explication communément admise est que l'Univers se dilate, étirant les ondes lumineuses (cf. la loi de Hubble-Lemaître).

Comme la lumière présente une vitesse finie et prend donc du temps pour se déplacer (cf. le photon), une lumière plus rouge signifie qu'elle est plus ancienne qu'une lumière blanche car elle a été étirée sur une plus grande distance. En remontant cet étirement dans le temps, il est possible d'utiliser le taux d'expansion pour déterminer quand l'Univers était contenu dans un volume subatomique d'énergie concentrée. On peut ainsi calculer le début du "Big Bang".

Cette tentative d'expliquer pourquoi la lumière des objets éloignés semble plus rouge remonte à 1929. A cette époque, l'astronome suisse Fritz Zwicky suggéra que la lumière perdait son énergie en parcourant les vastes étendues cosmiques. Moins d'énergie signifie une fréquence plus basse et des longueurs d'ondes plus longues, ce qui se concrétise par un décalage vers le rouge des objets lumineux distants. Autrement dit, la lumière s'est "fatiguée".

Alors que Zwicky fit par la suite une découverte historique en découvrant l'existence d'une matière sombre dans les galaxies, son hypothèse de la "lumière fatiguée" ou fatigue de la lumière ("tired light" ou TL) souffrait de trop de problèmes pour passer le seuil de la crédibilité, laissant la voie ouverte au modèle d'Univers en expansion et à la théorie du Big Bang.

Comme le dit Gupta, cela ne signifie pas que les deux concepts s'excluent mutuellement. Une combinaison pourrait même aider à comprendre l'évolution de l'Univers : "Bien qu'il ait été démontré que les modèles de la lumière fatiguée (TL) sont conformes aux données du JWST sur la dimension angulaire des galaxies, ils ne peuvent pas expliquer de manière satisfaisante les observations sur l'isotropie du fond cosmique micro-ondes (CMB) ou bien ajuster le module de distance des supernovae par rapport aux données de décalage vers le rouge. Nous avons développé des modèles hybrides qui incluent le concept de lumière fatiguée dans l'univers en expansion. Le modèle hybride ΛCDM correspond bien aux données des supernovae de type 1a mais pas aux observations du JWST. Nous présentons un modèle avec des constantes de couplage covariantes (CCC), à partir de la métrique FLRW modifiée et des équations d'Einstein et Friedmann résultantes, et un modèle hybride CCC + TL."

En associant la théorie existante du Big Bang et de l'Univers en expansion avec l'explication marginale de l'hypothèse de la lumière fatiguée, Gupta a calculé que le Big Bang se serait produit il y a 26.7 milliards d'années au lieu des 13.77 milliards d'années prédits par les modèles actuels. Ce doublement de l'âge de l'Univers pourrait expliquer pourquoi les galaxies les plus éloignées (à plus de z=10 soit plus 13.3 milliards d'années-lumière) semblent étonnamment matures pour des amas stellaires qui n'existeraient que depuis moins d'un demi-milliard d'années. Cela pourrait également expliquer pourquoi ces objets semblent plus petits que prévu malgré leurs masses importantes.

Ces photographies représentent les régions extérieures de l'amas Abell 2744 prises par le JWST en 2022 et présentent chacune un champ d'environ ~2x2'. Les deux galaxies agrandies comptent parmi les plus éloignées observées à cette date. Elle n'appartiennent pas à cet amas mais sont situées à plusieurs milliards d'années-lumière derrière lui. La galaxie (1) située à z=10.5 apparut 450 millions d'années après le Big Bang tandis que la galaxie (2) à z=12.5 apparut seulement 350 millions d'années après le Big Bang survenu il y a 13.77 milliards d'années. Ces galaxies sont minuscules par rapport à la Voie lactée, ne représentant que quelques pourcents de sa taille. Document Webb Telescope (NASA/ESA/ASC et Tommaso Treu/UCLA).

L'hypothèse hybride de Gupta conserve dans ses grandes lignes les concepts du modèle cosmologique du Big Bang ; l'Univers est aussi vaste que nous le croyons, ayant atteint sa taille actuelle à partir de l'évènement du Big Bang. Il commence par deux modèles d'univers en expansion : l'un basé sur le principe cosmologique (l'isotropie et l'homogénéïté de l'univers à grande échelle) et un second qui introduit quelques ajustements impliquant ce qu'on appelle une constante de couplage.

Les constantes de couplage décrivent les interactions entre les particules, telles que la manière dont les champs électromagnétiques de deux protons proches affecteront le comportement de l'autre de manière spécifique.

Toutes les forces fondamentales ont une constante de couplage, qui n'est pas nécessairement constante du tout car elle peut changer en fonction de l'énergie. Cela laisse de la place pour que les constantes de couplage varient suffisamment pour affecter le comportement de la lumière. Si cette constante a changé au cours du temps, les calculs de l'âge de l'Univers pourraient être considérablement erronés. Selon Gupta, "Notre nouveau modèle allonge le temps de formation des galaxies de plusieurs milliards d'années."

L'un des problèmes de la théorie de la lumière fatiguée est qu'une perte d'énergie dans une onde lumineuse correspondrait à une perte d'impulsion (l'intégrale de la force appliquée sur l'intervalle de temps), affectant l'apparence des objets éloignés. Avec des galaxies très éloignées paraissant anormalement petites, cette "anomalie" pourrait être résolue en tenant compte de cette hypothèse.

Mais restons prudent avant de valider cet ajout hybride CCC+TL au modèle cosmologique Standard, aussi séduisant soit-il. Comme cela arrive chaque fois que les faits observationnels ne correspondent pas tout à fait à la théorie, des scientifiques proposent toutes les idées qui leur viennent à l'esprit pour voir si l'une d'elles correspond à la réalité. Certaines sont banales, d'autres excentriques, et certains sont tellement audacieuses et avantgardistes qu'elles réveillent des cadavres de théories rejetées depuis des lustres dans le seul but de vérifier si elles peuvent encore rivaliser avec leurs concurrentes. Mais un jour ou l'autre, le rasoir d'Occam doit trancher.

Quelle que soit l'explication finale, les nouveaux modèles cosmologiques changeront quasi certainement notre façon de percevoir Univers et son contenu.

Le modèle quasi-stationnaire HBN

Après avoir accumulé pendant près de 25 ans des données observationnelles en contradiction avec la théorie du Big Bang, Halton Arp, Geoffrey Burbidge, Fred Hoyle, Jayant Narlikar et Chandra Wickramasinghe écrivirent un article dans la revue "Nature"[5] en 1990 dans lequel "ils portaient à l’attention du lecteur quelques idées pouvant répondre aux questions couramment adressées aux supporters du Big Bang chaud."

Ils citaient un certain nombre de faits cosmologiques que les adeptes du Big Bang considéraient comme des erreurs de mesure ou des coïncidences "afin de conforter leur théorie." Arp et ses collègues s’en étonnaient et concluaient sur un ton affirmatif :

- Ce modèle cosmologique est sujet à tant d’incertitudes que pour nous le Big Bang n’a jamais eu lieu.

- Il existe suffisamment de preuves observationnelles soutenant l’hypothèse que les décalages Doppler des quasars et autres AGN ont une origine intrinsèque. Cela signifie que ces objets ne se trouvent pas à de grandes distances cosmologiques mais résident en général à une distance beaucoup plus proche, de l’ordre de 0.1z (moins de 2 milliards d’années-lumière pour H_o=50 km/s/Mpc).

Aujourd’hui encore, les rares défenseurs de cette thèse (les pères étant décédés) fondent leurs arguments sur des analyses statistiques du décalage spectral des amas de galaxies et des couples en interactions avec des quasars éloignés.

Ils concluent que les QSO ayant des décalages spectraux élevés sont physiquement associés avec des galaxies de redshifts inférieurs, ceci étant valable tant pour les galaxies pâles que pour les plus brillantes.

Pour infirmer cette théorie les astronomes ont recherché des effets de “microlensing” gravitationnels afin de prouver que les présumés quasars en interaction avec des galaxies proches étaient bien situés au-delà de l’objet déflecteur. A l’heure actuelle de tels objets existent et semblent confirmer le modèle Standard bien qu’Halton Arp et ses amis s’y sont opposés farouchement, chiffres à l’appui.

Concernant le rayonnement cosmologique à 2.7 K, les fervents défenseurs du modèle HBN considèrent que les mesures de COBE ne prouvent pas que l’Univers connut un début chaud car le rayonnement est remarquablement constant, en particulier sur une échelle de quelques minutes d’arc, où la température est constante jusqu’à une partie pour 50000.

Si le Big Bang a effectivement eu lieu disent-ils, le spectre original de Planck aurait été modifié par les évènements de caractères non thermiques qui se sont produits ultérieurement, telles que la condensation des galaxies, des amas de galaxies, et peut être par une structure cellulaire plus large que l’on observe à l’heure actuelle sur une distance d’environ 100 Mpc. Ces empreintes n’apparaissent pas dans le rayonnement cosmologique à 2.7 K, contredisant les prédictions théoriques.

Notons en passant que c'est justement pour contredire cet argument que l'ESA lança le satellite Planck en 2009 dont la mission fut couronnée de succès et dont les résultats découragèrent définitivement les défenseurs du modèle HBN ainsi de la théorie d'Halton Arp.

Ceci dit, à l'époque, les défenseurs du modèle HBN critiquèrent évidemment le modèle Standard et son incapacité à résoudre le problème de l’âge de l’Univers, parfois plus jeune que certains amas d’étoiles en fonction de la valeur que l’on attribuait à la constante de Hubble. Ils considéraient également que l’introduction d’une densité de matière ad hoc ou une valeur d’entropie baryonique posée a posteriori pour expliquer les abondances des éléments n’était pas très louable. Sur ce point là en tous cas il n'avaient pas tord !

Le modèle du Big Bang n’expliquait pas non plus la forte hiérarchisation de l’univers et l’évolution primordiale des galaxies, mais les auteurs du modèle HBN reconnaissaient que des corrections avaient été apportées (inflation, matière sombre et froide). Mais se posait alors la question de savoir si d’autres particules ne pourraient pas expliquer la forte absorption du spectre micro-onde tout en étant transparentes aux longueurs d’ondes visibles et radios. En théorie et en pratique ces particules existent et on les retrouvent dans les événements qui se déchaînent durant l’explosion des supernovae, mais elles conduisent à des corrélations entre phénomènes inexplicables. Finalement Arp et ses collègues considèrent qu’une théorie quasi-stationnaire expliquerait tout aussi bien que le Big Bang comment l’Univers naquit d’une situation très équilibrée et devint hautement structuré en émettant un rayonnement isotrope.

Le modèle HBN s’opposait également à la formation de nouvelles galaxies comme le prévoit la théorie du Big Bang, qui ne peut expliquer la morphologie de certains jeunes objets tels que Arp 220 et NGC 6240, presque exclusivement constitués de gaz atomique et moléculaire et de jeunes étoiles très massives. Les astronomes conformistes les considèrent comme des protogalaxies dont l’effondrement a été interrompu pour une raison inexpliquée.

Enfin, les auteurs du modèle HBN nous rappellent que le Big Bang est une solution des équations de la relativité générale d’Einstein qui, à l’inverse des autres domaines de la physique n’est pas invariante lorsqu’on change d’échelle. La réintroduction d’une constante cosmologique dans la version inflationnaire du Big Bang étend la généralisation de la théorie d’Einstein ainsi que l’introduction de la supergravité en théorie des champs unifiés. Il faut que les équations de la relativité admettent la création de matière et de phénomènes causalement connectés. Cette théorie doit concevoir l’Univers comme un tout, mathématiquement exprimé à travers des conditions aux limites, dans lesquelles des équations aux différentielles partielles régissent les propriétés internes aux différents instants. Sinon, comme le démontre la théorie du Big Bang, elle sera incapable d’expliquer la morphologie des plus grandes entités de matière tels que les superamas.

Arp et ses collègues concluèrent qu’"il n’est pas à l’honneur de la communauté scientifique de dépendre de façon cruciale de choses inobservables pour expliquer l’observable, ce qui apparaît fréquemment dans la cosmologie du Big Bang. Accordons-nous comme à l’époque de Hutton sur un principe d’uniformité qui vise à n’expliquer que toutes les choses qui soient observables. On peut s’attendre à ce que la cosmologie et la cosmogonie profitent de ce principe, comme nous vous l’avons proposé dans cet exposé."

Malheureusement Arp et ses défenseurs ont oublié de dire que leur théorie était posée a posteriori. En fait, ils n'ont jamais reconnu leurs erreurs et leur manque d'objectivité. Malheureusement Arp nous quitta en 2013 à l'âge de 86 ans, sans avoir recu les réponses qu'il espérait.

Le modèle FST

En 1982, H.Fliche, J.-M. Souriau et R.Triay[6] se sont rendus compte que le modèle Standard ne pouvait pas expliquer la structure aplatie des superamas de galaxies (blinis), les grandes structures cosmiques et l’isotropie du rayonnement cosmologique.

Leur théorie dénommée FST se base sur le modèle FRW et considère que l’univers est rempli de superamas aplatis approximativement parallèles les uns par rapports aux autres.

La courbure positive de l’Univers provoquerait une focalisation de la lumière des quasars, ce qui augmenterait leur éclat et leur diamètre apparent. Un effet similaire expliquerait l’isotropie du rayonnement cosmologique : confiné dans une région relativement proche de nous, son rayonnement serait focalisé dans les régions des antipodes cosmiques. Du coup, le problème de la causalité disparaît et avec lui la théorie inflationnaire.

Le modèle FST explique également l’aspect des structures cosmiques et la présence de grands espaces vides. Enfin, il apporte un éclaircissement nouveau sur la domination de la matière sur l’antimatière. La zone vide de quasars qu’on observe au-delà de z=2 serait la zone de contact entre les deux moitiés d’univers, l’une remplie de matière, dans laquelle nous vivons, l’autre d’antimatière.

Selon Evry Schatzman, les lois de la physique que nous connaissons suffisent à expliquer le vide observé. Et de fait, le modèle FST est peu convaincant et n'a jamais été prouvé.

Ainsi, à propos du décalage Doppler des galaxies, nous avons franchi z=10 voici quelques années sans découvrir quelque chose de particulier à cette distance, si ce n'est que les galaxies sont toujours aussi nombreuses. Quant au rayonnement des quasars, de nouvelles photographies en haute résolution ainsi que de nouvelles analyses radioélectriques et infrarouges confirment que leur coeur est le siège d'une intense et violente activité. La thèse du trou noir qui serait abrité dans ces QSOs, galaxies de Seyfert et autres AGN n'est pas écartée, que du contraire.

Peut-on vérifier expérimentalement la théorie FST ? Probablement pas, car le rayonnement électromagnétique au lieu d’être émis par les objets serait dirigé vers ceux-ci dans l’antimonde et chacun de nos mondes demeurera totalement invisible de l’autre, car ils seraient séparés par une zone d'annihilation. Cet univers d’antimatière est donc un postulat invérifiable, donc non scientifique. En revanche, les physiciens peuvent réaliser des expériences visant à savoir s'il existe encore de l'antimatière dans l'univers.

La première expérience AMS (Alpha Magnetic Spectrometer) embarquée à bord de la navette spatiale en 1998 visait ce but mais elle ne dura que quelques jours. C'était en fait un test expérimental.

L'expérience AMS-02 qui fut plus tard embarquée à bord d'ISS contenait un spectromètre 100 fois plus sensible et le programme de recherche devait s'étendre sur 3 à 5 ans. Si l'expérience s'avère négative cela signifiera que toute l'antimatière a disparu de notre univers ou est trop éloignée pour que le rayonnement qui s'en échappe nous arrive.

En juillet 2000, le CERN à Genève créa 9 atomes d'anti-hydrogène (protons) pour vérifier s'il existait des différences au niveau des propriétés des deux types matière (masse, charge, comportement,...). Ces anti-protons ne vécurent que quelques milliardièmes de secondes ce qui rendit leur étude difficile.

Mais une nouvelle expérience fut planifiée. Cette fois les physiciens essayèrent de piéger ces noyaux à basse vitesse où ils furent refroidis. Les anti-protons lents traversèrent un nuage de positrons se déplaçant à quelques mètres par seconde. Les anti-noyaux capturèrent ainsi des positrons qui furent analysés. Rien d'anormal n'a été constaté, confirmant la théorie; matière et antimatière sont des états similaires comme si nous les observions à travers un miroir, à la différence de charge près. Quant à savoir pourquoi l'antimatière a disparu de notre univers, seuls les cosmologistes ont une idée de la chose mais la question demeure un vrai mystère.

Le modèle META

Dans la version META proposée par l’astronome américain Thomas Van Flandern (1940-2009) de l’institut Meta Research, nos conceptions habituelles de l’univers sont bouleversées. Ainsi la gravité, comme toutes les forces, doit avoir une portée finie, limitée par la distance moyenne entre les collisions d’agents C-gravitons. Ces particules que personne ne connaît se comporteraient comme un gaz parfait et n’induiraient aucune force entre les corps. La lumière cependant se propagerait dans un milieu porteur. Dynamiquement parlant, les gravitons de la physique quantique se propageraient instantanément (environ 10¹⁰ c), même si la lumière mettrait un certain temps pour se déplacer d’un corps à l’autre.

Van Flandern considère que la gravitation influence la densité du milieu de propagation de la lumière proche des corps denses, provoquant une modification de la vitesse de la lumière et des forces électromagnétiques. Ce modèle prédit les mêmes phénomènes Doppler, de courbure des rayons lumineux, de rougissement gravitationnel et l’avance du périhélie de Mercure que la théorie de la relativité générale. META cependant n’utilise pas le concept de courbure de l’espace-temps car tout l’univers est constitué d’ondes de gravité dont les molécules ont, statistiquement, soit tendance à entrer mutuellement en collisions (matière condensée), soit le font moins fréquemment (milieu raréfié). En fait, un corps hyperdense réfléchirait les agents C-gravitons tandis que la masse intérieure ne contribuerait pas au champ gravitationnel externe. Dans le modèle META il n’existe pas de singularité.

META explique également pourquoi la vitesse de rotation des galaxies demeure constante à toute distance du centre, défiant la loi en carré inverse de Newton : c’est parce que la matière doit réagir comme un gaz parfait.

L’existence des grandes structures cosmiques de l’univers implique l’existence d’autres forces que celle de la gravitation pour opérer sur une aussi vaste échelle (les C-gravitons ont une portée d’environ 2 kpc pouvant expliquer la loi en carré inverse). La série de "murs" de galaxies que l’on observe jusqu’à plus de la moitié du rayon de l’univers visible ressemblerait aux motifs ondulatoires prévus par le modèle META.

Les décalages spectraux sont interprétés comme une "fatigue" de la lumière, une perte d’énergie qu’elle subit dans le milieu de propagation constitué de C-gravitons. Cette perte d’énergie expliquerait également le paradoxe d’Olbers.

Si l’univers est en expansion comme le stipule la théorie du Big Bang, ni les observations effectuées dans le système solaire ni les mesures atomiques ne révèlent cette loi de Hubble-Lemaître qui violerait l’esprit de cette théorie.

Quant au rayonnement cosmologique, il pourrait avoir été provoqué par l’explosion uniforme d’une planète K il y a 3 ou 4 milliards d’années, dont on retrouverait des traces sur les satellites des planètes géantes et dans certains nuages interstellaires proches (¹²C, ²⁶Al). Ce rayonnement serait aujourd’hui en équilibre avec la température du milieu interstellaire.

Bref, Thomas Van Flandern rejette en bloc la théorie du Big Bang y compris l'origine cosmologique du fond diffus micro-onde ainsi que le modèle Standard des particules élémentaires et s'invente un modèle ad hoc qui n'est supporté par aucune observation et dont les rares prédictions n'ont jamais été vérifiées. Ce n'est pas de la très bonne science. D'ailleurs sa théorie s'est éteinte avec son décès en 2009.

Prochain chapitre

L'univers plasma