Les dernières observations de Webb ne réfutent pas le Big Bang, mais elles sont intéressantes

Bon, commençons par l’évidence. Le big bang n’est pas mort. Les observations récentes du télescope spatial James Webb n’ont pas réfuté le big bang, malgré certains articles populaires affirmant le contraire. Si c’est tout ce que vous aviez besoin d’entendre, alors passez une bonne journée. Cela dit, les dernières observations de Webb révèlent des choses étranges et inattendues sur l’univers, et si vous souhaitez en savoir plus, continuez à lire.

Commençons par les rumeurs. Qu’en est-il des nouvelles données de Webb suggérant que le big bang est faux ? Le même type de données que Hubble nous a fournies il y a des années. Nous pensons généralement que les preuves du big bang sont centrées sur deux faits : premièrement, que les galaxies plus éloignées ont un décalage vers le rouge plus élevé que les plus proches, et deuxièmement, que l’univers est rempli d’un fond cosmique de rayonnement micro-ondes. Le premier suggère que l’univers est en expansion dans toutes les directions, tandis que le second suggère qu’il était autrefois dans un état très chaud et dense. Ce sont deux des trois piliers de données soutenant le big bang, le troisième étant l’abondance relative des éléments dans l’univers primitif.

Mais ces observations ne sont que le fondement du modèle du big bang. Nous les avons depuis longtemps développés pour créer le modèle standard de cosmologie, également connu sous le nom de modèle LCDM. C’est un univers qui a commencé avec le big bang et qui est rempli de matière, de matière noire et d’énergie noire. Tout, de l’accélération de l’expansion cosmique au regroupement des galaxies, soutient ce modèle standard. Et le modèle standard fait des prédictions sur d’autres tests d’observation, afin que nous puissions prouver davantage sa validité. C’est là qu’interviennent les dernières affirmations du « big bust ».

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JWST peut voir beaucoup plus loin que Hubble. Crédit : NASA, ESA, Leah Hustak (STScI)

L’un de ces tests secondaires est connu sous le nom de test de brillance de surface de Tolman. Il a été proposé pour la première fois dans les années 1930 par Richard C. Tolman et compare la luminosité apparente d’une galaxie à sa taille apparente. Le rapport entre la luminosité et la taille est appelé luminosité de surface. Généralement, plus une galaxie est grande, plus elle devrait être brillante, donc la luminosité de surface de chaque galaxie devrait être à peu près la même. Les galaxies plus éloignées apparaîtraient plus sombres, mais elles auraient également une taille apparente plus petite, de sorte que la luminosité de la surface serait toujours la même. Le test de Tolman prédit que dans un univers statique et non en expansion, la luminosité de surface de toutes les galaxies devrait être à peu près la même, quelle que soit la distance.

Ce n’est pas ce que nous voyons. Ce que nous observons, c’est que les galaxies plus éloignées ont une luminosité de surface plus faible que les plus proches. La quantité de gradation est proportionnelle à la quantité de décalage vers le rouge de la galaxie. Vous pourriez penser que cela prouve que toutes ces galaxies lointaines s’éloignent rapidement de nous, mais ce n’est pas le cas. Si ces galaxies lointaines s’éloignaient rapidement, vous auriez deux effets de gradation. Le décalage vers le rouge et la distance sans cesse croissante. Le test de Tolman prédit que dans un univers en expansion simple, la luminosité de surface des galaxies devrait diminuer proportionnellement au redshift et distance. Nous ne voyons que les effets du décalage vers le rouge.

Ce fait a conduit certains à proposer un univers statique où la lumière perd spontanément de l’énergie avec le temps. C’est ce qu’on appelle l’hypothèse de la lumière fatiguée, et elle est très populaire parmi les opposants au big bang. Si l’univers est statique et que la lumière est fatiguée, alors le test de Tolman prédit exactement ce que nous observons. Donc pas de big bang.

Le CMB réfute la lumière fatiguée. 1 crédit

En 2014, Eric Lerner et al ont publié un article faisant exactement ce point. Cela a provoqué une vague de “Big Bang Dead!” articles dans les médias populaires. Les dernières affirmations sur Webb tuant le big bang ont commencé par un article populaire du même Eric Lerner. Donc nous en sommes là. En toute honnêteté, en 2014, les observations de Hubble soutenaient l’affirmation de Lerner, tout comme les dernières observations de Webb. Mais ce que Lerner a commodément omis de son article, c’est que les observations de Hubble et Webb aussi prend en charge le modèle LCDM.

C’est une idée fausse courante que le décalage vers le rouge prouve que les galaxies s’éloignent rapidement de nous. Ils ne le sont pas. Les galaxies lointaines n’accélèrent pas dans l’espace. L’espace lui-même s’étend, mettant une plus grande distance entre nous. C’est une différence subtile, mais cela signifie que le redshift galactique est causé par l’expansion cosmique, et non par le mouvement relatif. Cela signifie également que les galaxies lointaines semblent un peu plus grandes qu’elles ne le seraient dans un univers statique. Ils sont éloignés et minuscules, mais l’expansion de l’espace donne l’illusion qu’ils sont plus grands. En conséquence, la luminosité de surface des galaxies lointaines ne diminue que proportionnellement au décalage vers le rouge.

Le redshift cosmique n’est pas causé par l’effet Doppler. Crédit : NASA, ESA, Leah Hustak (STScI)

Bien sûr, nous savons que la lumière fatiguée est fausse à cause du fond cosmique des micro-ondes. Un univers statique à la lumière fatiguée n’aurait aucune chaleur résiduelle d’une boule de feu primordiale. Sans parler du fait que les galaxies lointaines apparaîtraient floues (ce n’est pas le cas) et que les supernovae lointaines ne seraient pas dilatées dans le temps par l’expansion cosmique (elles le sont). Le seul modèle qui appuie toutes les preuves est le big bang. L’argument de Lerner est ancien et a longtemps été réfuté.

Cela dit, le télescope spatial James Webb a trouvé des choses inhabituelles. Plus important encore, il a trouvé plus de galaxies et de galaxies plus éloignées qu’il ne devrait y en avoir, et cela pourrait conduire à des changements révolutionnaires dans notre modèle standard. Notre compréhension actuelle est qu’après le big bang, l’univers a traversé une période connue sous le nom d’âge sombre. Pendant cette période, la première lumière du cosmos s’était estompée et les premières étoiles et galaxies ne s’étaient pas encore formées. Webb est si sensible qu’il peut voir certaines des plus jeunes galaxies qui se sont formées juste après l’âge des ténèbres. On s’attendrait à ce que ces jeunes galaxies soient moins nombreuses et moins développées que les galaxies plus récentes. Mais les observations de Webb ont trouvé des galaxies très décalées vers le rouge et très jeunes qui sont à la fois communes et étonnamment matures.

C’est le genre de données déroutantes et inattendues que les astronomes espéraient. C’est pourquoi nous avons voulu construire le télescope Webb en premier lieu. Et cela nous dit que même si le modèle du big bang n’est pas faux, certaines de nos hypothèses à ce sujet pourraient l’être.

Référence: Lerner, Eric J., Renato Falomo et Riccardo Scarpa. “Luminosité de surface UV des galaxies de l’univers local à z ~ 5.” Journal international de physique moderne D 23.06 (2014) : 1450058.

Référence: Ferreira, Leonardo, et al. “Panique! Au niveau des disques : premières observations optiques au repos de la structure de la galaxie à z > 3 avec JWST dans le champ SMACS 0723. » prépublication arXiv arXiv:2207.09428 (2022).

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