La direction est quelque chose à laquelle nous, les humains, sommes assez habitués. Vivant dans notre environnement terrestre convivial, nous avons l'habitude de voir les choses en termes de haut en bas, de gauche à droite, d'avant en arrière. Et pour nous, notre cadre de référence est fixe et ne change pas, sauf si nous bougeons ou sommes en train de bouger. Mais en matière de cosmologie, les choses se compliquent un peu.
Depuis longtemps, les cosmologistes croient que l'univers est homogène et isotrope - c'est-à-dire fondamentalement le même dans toutes les directions. En ce sens, il n'y a pas de «haut» ou de «bas» en matière d'espace, seulement des points de référence entièrement relatifs. Et grâce à une nouvelle étude réalisée par des chercheurs de l'University College de Londres, cette opinion s'est révélée correcte.
Pour le bien de leur étude, intitulée «À quel point l'univers est-il isotrope?», L'équipe de recherche a utilisé les données d'enquête du Cosmic Microwave Background (CMB) - le rayonnement thermique laissé par le Big Bang. Ces données ont été obtenues par le vaisseau spatial Planck de l'ESA entre 2009 et 2013.
L'équipe l'a ensuite analysé à l'aide d'un superordinateur pour déterminer s'il y avait des modèles de polarisation qui indiqueraient si l'espace a une «direction préférée» d'expansion. Le but de ce test était de voir si l'une des hypothèses de base qui sous-tend le modèle cosmologique le plus largement accepté est en fait correcte.
La première de ces hypothèses est que l'Univers a été créé par le Big Bang, qui est basé sur la découverte que l'Univers est dans un état d'expansion et sur la découverte du fond cosmique des micro-ondes. La deuxième hypothèse est que l'espace est homogène et istropique, ce qui signifie qu'il n'y a pas de différences majeures dans la distribution de la matière à grande échelle.
Cette croyance, également connue sous le nom de principe cosmologique, est basée en partie sur le principe copernicien (qui déclare que la Terre n'a pas de place particulière dans l'Univers) et la théorie de la relativité d'Einstein - qui a démontré que la mesure de l'inertie dans tout système est relative à l'observateur.
Cette théorie a toujours eu ses limites, car la matière n'est clairement pas répartie uniformément à de plus petites échelles (c'est-à-dire les systèmes stellaires, les galaxies, les amas de galaxies, etc.). Cependant, les cosmologistes ont discuté de cela en disant que les fluctuations à petite échelle sont dues aux fluctuations quantiques qui se sont produites dans l'Univers primitif, et que la structure à grande échelle est celle de l'homogénéité.
En recherchant les fluctuations de la lumière la plus ancienne de l'Univers, les scientifiques ont tenté de déterminer si cela était en fait correct. Au cours des trente dernières années, ce type de mesures a été effectué par plusieurs missions, telles que la mission Cosmic Background Explorer (COBE), la sonde d'anisotropie hyperfréquence Wilkinson (WMAP) et le vaisseau spatial Planck.
Pour les besoins de leur étude, l'équipe de recherche de l'UCL - dirigée par Daniela Saadeh et Stephen Feeney - a regardé les choses un peu différemment. Au lieu de rechercher des déséquilibres dans le fond des micro-ondes, ils ont cherché des signes que l'espace pourrait avoir une direction d'expansion préférée, et comment ceux-ci pourraient s'imprimer sur le CMB.
Comme Daniela Saadeh - un doctorant à l'UCL et l'auteur principal du document - a déclaré à Space Magazine par e-mail:
«Nous avons analysé la température et la polarisation du fond de micro-ondes cosmique (CMB), un rayonnement relique du Big Bang, en utilisant les données de la mission Planck. Nous avons comparé le vrai CMB à nos prévisions pour ce à quoi il ressemblerait dans un univers anisotrope. Après cette recherche, nous avons conclu qu'il n'y a aucune preuve de ces modèles et que l'hypothèse que l'Univers est isotrope à grande échelle est bonne. »
Fondamentalement, leurs résultats ont montré qu'il n'y a qu'une chance sur 121 000 que l'Univers soit anisotrope. En d'autres termes, les preuves indiquent que l'Univers s'est étendu de manière uniforme dans toutes les directions, éliminant ainsi tout doute quant à leur véritable sens de l'orientation à grande échelle.
Et en quelque sorte, c'est un peu décevant, puisqu'un univers qui n'est pas homogène et le même dans toutes les directions conduirait à un ensemble de solutions aux équations de champ d'Einstein. En elles-mêmes, ces équations n'imposent aucune symétrie sur l'espace-temps, mais le modèle standard (dont elles font partie) accepte l'homogénéité comme une sorte de donnée.
Ces solutions sont connues sous le nom de modèles Bianchi, qui ont été proposés par le mathématicien italien Luigi Bianchi à la fin du XIXe siècle. Ces théories algébriques, qui peuvent être appliquées à l'espace-temps tridimensionnel, sont obtenues en étant moins restrictives, et permettent ainsi un univers qui est anisotrope.
En revanche, l'étude réalisée par Saadeh, Feeney et leurs collègues a montré que l'une des principales hypothèses sur lesquelles reposent nos modèles cosmologiques actuels est en effet correcte. Ce faisant, ils ont également fourni un sentiment bien nécessaire de se rapprocher d'un débat à long terme.
"Au cours des dix dernières années, il y a eu de nombreuses discussions pour savoir s'il y avait des signes d'anisotropie à grande échelle dans le CMB", a déclaré Saadeh. «Si l'Univers était anisotrope, nous aurions besoin de réviser bon nombre de nos calculs concernant son histoire et son contenu. Les données de haute qualité de Planck ont fourni une occasion en or d'effectuer ce bilan de santé sur le modèle standard de la cosmologie et la bonne nouvelle est qu'elle est sûre. »
Alors la prochaine fois que vous vous retrouvez en train de regarder le ciel nocturne, souvenez-vous… c'est un luxe que vous n'avez que lorsque vous êtes debout sur Terre. Là-bas, c'est un tout autre jeu de balle! Alors profitez de ce que nous appelons «direction» quand et où vous le pouvez.
Et n'oubliez pas de regarder cette animation produite par l'équipe UCL, qui illustre les données CMB de la mission Planck:
