Vers la fin du mois de décembre 2025, le célèbre astrophysicien et cosmologiste d'origine indienne Subir Sarkar, collègue et compatriote du regretté Jayant Narlikar, a publié un article dans The Conversation, où il fait part au grand public cultivé d'une des anomalies rencontrées en cosmologie et qui questionnent la validité du modèle standard (on peut citer celle de la tension avec la détermination par deux méthodes différentes de la constante de Hubble-Lemaître).

Il ne s'agit pas d'une anomalie en mesure de remettre en cause l'existence de la matière noire ou de l'énergie noire, mais d'un désaccord subtil entre une prédiction de la partie du modèle cosmologique standard mise en place avant l'introduction de ces deux composantes du fameux modèle dit Lambda-CDM et les mesures concernant un très grand nombre d'astres lointains observés dans plusieurs domaines de longueurs d'onde.

Ce désaccord avait été déjà annoncé par Sarkar et ses collègues en 2022 dans un article que l'on peut trouver sur arXiv et dont une version plus complète a été publiée récemment dans Reviews of Modern Physics.

Il s'agit du résultat des analyses de données dont la collecte n'a été rendue possible que depuis quelques décennies et concernant des millions de radio-sources lointaines observées avec la campagne au sol du NRAO VLA Sky Survey (NVSS) et celle des observations de nombreux quasars dans l'espace avec le satellite Wide-field Infrared Explorer (Wise) de la Nasa.

Ces données ont permis aux chercheurs de mettre en œuvre un test proposé en 1984 par le célèbre cosmologiste George Ellis (coauteur notamment avec Stephen Hawking d'un traité fondamental et bien connu des astrophysiciens et cosmologistes relativistes The large scale structure of space-time) et l'astrophysicien John Baldwin. Il s'agit donc de ce que l'on appelle le test de Ellis-Baldwin.

Le cosmologiste sud-africain George Ellis. © David Monniaux,  CC by-sa 3.0

Un siècle de cosmologie relativiste

Pour comprendre de quoi il retourne, il faut remonter au début de la cosmologie relativiste, c'est-à-dire en 1917, quand Einstein a appliqué, le premier, sa théorie de la relativité générale à la cosmologie. Il fait alors des hypothèses audacieuses, mais des extrapolations risquées.

En effet, à l'époque, si l'on commence à connaître la forme de notre Galaxie, on débat encore de savoir si certaines des nébuleuses que l'on observe sont d'autres galaxies en dehors de la Voie lactée ou en font partie. Einstein suppose que la première hypothèse, qui remonte au moins au philosophe allemand Kant, est la bonne. Il admet donc que les galaxies sont uniformément réparties (une propriété dite d'homogénéité), ou peu s'en faut dans l'espace, et enfin que notre Voie lactée n'est pas dans une position particulière et que quelle que soit la direction dans laquelle on fait des observations, on va voir une répartition des galaxies identique, et donc isotrope en plus d'être homogène.

Pour plusieurs raisons, Einstein a aussi introduit sa fameuse constante cosmologique que l'on interprète aujourd'hui comme la présence d'une énergie noire.

L'Univers d'Einstein est statique, mais peu de temps après, toujours en supposant que les galaxies sont bien comme une sorte de fluide homogène et isotrope à grande échelle tout comme nous apparaît l'eau bien qu'elle soit composée de molécules à petites échelles, Friedmann et Lemaître vont considérer d'autres solutions des équations d'Einstein qui, elles, sont dynamiques et avec des géométries, et même des topologies différentes.

Comment fut découverte la théorie de big bang : Einstein, Lemaître, le rayonnement fossile. Documentaire extrait du magazine Cassiopée, émission 4 « Le Big Bang ». © Jean-Pierre Lu minet, France Supervision (1995)

Un cosmos homogène et isotrope ?

Au cours des années 1930, en supposant toujours que la matière est distribuée de façon homogène et isotrope, ce que l'on appelle le principe cosmologique, et que le cosmos devrait donc apparaître le même pour tous les observateurs, Robertson et Walker montrent que ces hypothèses suffisent pour obtenir une solution générale des équations d'Einstein contenant toutes les solutions particulières envisagées depuis Einstein sans les résoudre directement. L'espace peut alors avoir une courbure positive, comme celle d'une sphère, ou être plat comme un plan infini, voire comme l'est aussi la surface finie d'un tore, et enfin avoir une courbure négative comme celle de la surface d'une selle de cheval.

On parle alors de métrique de Friedmann-Lemaître-Robertson-Walker (FLRW) pour décrire la solution générale homogène et isotrope.

Mais rien ne prouve vraiment que si l'on pouvait aller arbitrairement loin dans le cosmos, on ferait toujours des observations conformes au principe cosmologique. Nous ne sommes pas certains non plus que dans le passé de l'Univers, c'était bien le cas également. Nous n'avons fait que des hypothèses qui sont pertinentes surtout parce qu'elles entraînent d'énormes simplifications des équations d'Einstein pour l'espace-temps courbe. Les solutions cosmologiques sont alors faciles à obtenir et on peut espérer les tester de différentes façons par des observations précises et ingénieuses.

De fait, les observations du rayonnement fossile montrent qu'il y a plus de  13,7 milliards d'années mais 380 000 ans après le Big Bang, le cosmos observable devait être homogène et isotrope avec une excellente précision. On le sait parce que les fluctuations de température de ce rayonnement sur la voûte céleste, une fois des contaminations soustraites, sont très faibles et indiquent des répartitions de masses à ce moment-là qui sont très homogènes et isotropes. La cartographie des quasars lointains donnait des indications similaires bien que moins précises et surtout plus tard dans l'histoire du cosmos observable.

Le mathématicien italien Luigi Bianchi (1856 – 1928). © DP

Un zoo de modèles cosmologiques possibles

Cela ne veut nullement dire que la situation ne puisse pas être plus compliquée que cela !

En effet, vers la fin et le début du XX^e siècle, l'école italienne de mathématique était en plein développement des mathématiques des espaces courbes à n dimensions, ceux de la géométrie de Riemann pour laquelle Tullio Levi-Civita en particulier va développer le calcul différentiel absolu avec la théorie des tenseurs, calcul qu'Einstein pourra utiliser de façon cruciale pour découvrir et formuler sa théorie de la relativité générale.

Parmi ces mathématiciens italiens, il y avait aussi Luigi Bianchi qui, lui, va montrer qu'il existe en trois dimensions d'espace un nombre fini d'espaces homogènes, mais anisotropes ! Quelques décennies plus tard, c'est un autre mathématicien, aux États-Unis cette fois, Luther Pfahler Eisenhart, qui va montrer qu'il y a donc plus de modèles cosmologiques que n'en avaient proposé ses collègues derrière la métrique FLRW.

Après la Seconde Guerre mondiale et encore plus après la découverte du rayonnement fossile, ces modèles vont être étudiés et très souvent un bon cours de relativité générale, comme celui de Landau, mentionne la théorie des espaces homogènes anisotropes en cosmologie relativiste dérivée des travaux de Bianchi. Techniquement, la théorie de Bianchi repose sur des symétries des espaces possibles en liaison avec la théorie des groupes, en l'occurrence celle de Sophus Lie. 

Il n'est toutefois pas nécessaire d'entrer dans les arcanes de la théorie mathématique des modèles cosmologiques de Bianchi pour comprendre les implications du travail de Sarkar et ses collègues. On peut y arriver avec des images simples, même s'il était intéressant de poser le contexte.

La classification de Bianchi des espaces, que l'on utilise en cosmologie relativiste pour classifier divers modèles homogènes mais anisotropes, est très similaire à celle des ellipsoïdes de ce schéma, dont les symétries ne sont pas les mêmes en fonction des longueurs des axes de ces ellipsoïdes. © Ag2gaeh, CC by-sa 4.0

En gros, on peut prendre l'exemple d'une sphère qui apparaît identique à elle-même quelles que soient les directions de l'espace. Il n'en serait pas de même si l'on considère maintenant un ellipsoïde avec des axes de longueurs différentes et qui donc donne une idée d'un Univers anisotrope puisque pas identique en forme selon la direction d'un axe. On peut aussi imaginer que les longueurs des axes augmentent ou diminuent dans le temps de façon indépendante et changeante, parfois de façon chaotique d'ailleurs, comme dans le cas d'un Univers anisotrope de Kasner. Il existe aussi des modèles cosmologiques qui débutent avec une expansion anisotrope au tout début de leur histoire, puis tendent asymptotiquement à évoluer selon une géométrie isotrope.

Tout ces modèles ont des impacts possibles sur l'aspect du rayonnement fossile et la carte de ses fluctuations de température telle que révélée d'abord par la mission CoBE au début des années 1990, puis par les missions WMap et Planck qui ont posé des bornes de plus en plus contraignantes sur la pertinence des modèles de Bianchi pour décrire notre Univers observable.

Cette série d'images en fausse couleurs a été dressée à partir de deux ans d'observations du rayonnement fossile par le satellite CoBE. Les couleurs indiquent des variations de températures, en rouge les plus chaudes et en bas les plus froides. On voit, de haut en bas, la carte incluant le dipôle cosmique, puis la contribution du rayonnement de la Galaxie, au centre, et enfin, en bas, la carte sans ces deux contributions au rayonnement de fond dans les micro-ondes. Le dipôle, une variation progressive entre des zones relativement chaudes et relativement froides, du coin supérieur droit au coin inférieur gauche, est dû au mouvement du Système solaire par rapport à la matière lointaine de l'Univers. Les signaux attribués à cette variation sont extrêmement faibles, mille fois moins lumineux que le ciel. L'image suivante montre donc uniquement la carte réduite (c'est-à-dire sans le dipôle ni l'émission galactique). Les fluctuations du fond diffus cosmologique sont extrêmement faibles, de l'ordre de 1/100 000 par rapport à la température moyenne de 2,73 kelvins du champ de rayonnement. Ce rayonnement est un vestige du Big Bang, ses fluctuations témoignent des contrastes de densité dans l'Univers primordial. On pense que ces ondulations de densité sont à l'origine des structures qui peuplent aujourd'hui l'Univers : des amas de galaxies et de vastes régions dépourvues de galaxies. © Nasa

L'anomalie du dipôle cosmique

Nous voilà équipés pour comprendre l'anomalie du dipôle cosmique déjà mise en évidence avec les données de CoBE et confirmée ensuite par les données de la mission Planck avec une bien plus grande précision.

Ces satellites ont donc fait une mesure du rayonnement de fond diffus dans le domaine des micro-ondes sur toute la voûte céleste. Une bonne partie de ce rayonnement nous provient de régions du cosmos que nous observons telles qu'elles étaient environ 380 000 ans après le Big Bang, quand le rayonnement fossile a été émis. Une autre partie provient de contaminations qui viennent du rayonnement de la poussière du disque et du bulbe de la Voie lactée notamment. La cosmologiste Laurence Perotto nous avait expliqué la nature de ces avant-plans de contamination, qu'il fallait évaluer puis soustraire du signal observé par les satellites pour remonter au vrai rayonnement fossile.

Toutefois, on prévoyait que du fait du déplacement de la Voie lactée par rapport au rayonnement fossile une composante dite dipolaire apparaissait avec un effet Doppler, décalant donc vers le rouge et vers le bleu dans deux régions du ciel complémentaire le rayonnement fossile. C'est la composante dite du dipôle cosmique.

Pour être précis, en première approximation, la majorité des galaxies dans des amas de galaxie peut être considérée comme au repos, alors que l'espace est en expansion entre ces galaxies, comme le font des pépites de chocolat dans un gâteau qui gonfle. Les galaxies, tout comme le rayonnement fossile, constituent donc des sortes de référentiels que l'on peut considérer comme au repos. Toutefois, du fait de la gravitation, les galaxies s'attirent et ont donc des mouvements propres qui s'ajoutent à l'effet de l'expansion pour décaler vers le rouge ou vers le bleu, par rapport à la Voie lactée, le rayonnement fossile. C'est l'origine par effet Doppler du dipôle cosmique dont la mesure indique que notre Galaxie se déplace en fait par rapport au référentiel défini par le rayonnement fossile à une vitesse de 370 km s−1.

En 1984, Ellis et Baldwin ont réalisé que le jour où l'on aurait une carte d'un très grand nombre de radio-sources galactiques et de quasars, un effet similaire devait se manifester et pour la même raison dans le décompte et les observations de ces astres. Mieux, l'effet de dipôle cosmique avec ces sources devait suivre le dipôle dans le rayonnement fossile et d'une façon définie, une violation de ces prédictions impliquant une violation du Principe cosmologique et impliquant potentiellement que l'Univers est anisotrope d'une façon ou d'une autre - ce qui nous amènerait probablement à adopter un des modèles cosmologiques de Bianchi avec un Univers dont la forme serait donc distordue ainsi que son expansion.

C'est précisément une telle anomalie avec plus d'un million de radio-sources et un demi-million de quasars que les données accumulées depuis le début du XXI^e siècle montreraient selon Sarkar et ses collègues. L'effet atteindrait les fameux 5 sigma en statistique, comme disent les scientifiques dans leur jargon, c'est-à-dire le seuil pour affirmer que le signal mesuré est bien celui d'une anomalie réelle et pas d'une fluctuation statistique de la même façon que la forme changeante des nuages peut laisser croire qu'un visage s'y forme, alors que ce n'est que l'effet du hasard.

La prudence s'impose quand même, mais on devrait en savoir plus dans la décennie qui débute. En effet, Sarkar conclut dans l'article de The Conversation que :

« Une avalanche de données est attendue des nouveaux satellites comme Euclid et SPHEREx, et des télescopes tels que l'observatoire Vera Rubin et le Square Kilometre Array. Il est envisageable que nous obtenions bientôt des informations inédites sur la manière de construire un nouveau modèle cosmologique, en tirant parti des récents progrès dans un domaine de l'intelligence artificielle (IA) appelé apprentissage automatique.

L'impact serait véritablement considérable sur la physique fondamentale et sur notre compréhension de l'Univers. »

Colloque APC, 26/06/23. Intervenante : Roya Mohayaee. L'origine du dipôle du fond diffus cosmologique (CMB) est attribuée à la distribution anisotrope de la matière dans l'Univers local. Si l'Univers est statistiquement homogène et isotrope à grande échelle, comme le propose le principe cosmologique, alors le dipôle du CMB et le dipôle de la matière à haut décalage vers le rouge devraient coïncider. À partir d'un échantillon récent de quasars issus du relevé WISE le référentiel propre du CMB et celui de la matière ne se superposent pas, par conséquent, le principe cosmologique est violé. Pour obtenir une traduction en français assez fidèle, cliquez sur le rectangle blanc en bas à droite. Les sous-titres en anglais devraient alors apparaître. Cliquez ensuite sur l'écrou à droite du rectangle, puis sur « Sous-titres » et enfin sur « Traduire automatiquement ». Choisissez « Français ». © Laboratoire Astroparticule & Cosmologie (APC)