La cosmologie vit une ère de précision : le Fond diffus cosmologique (CMB), régi par la loi de Planck, nous renseigne sur la densité baryonique avec une incertitude inférieure à 0,5 %. Parallèlement, les astronomes mesurent le deutérium primordial dans les nuages de gaz anciens avec une précision de l’ordre du pour cent. Ces deux nombres doivent s’accorder dans le cadre de la théorie du Big Bang et de la nucléosynthèse primordiale (BBN), peaufinée depuis les années 1940 grâce aux travaux de George Gamow et de ses collègues. Mais ces dernières années, un désaccord est apparu entre eux. Selon la loi de Hubble, la vitesse d’éloignement des galaxies est proportionnelle à leur distance, et la mesure de la constante de Hubble par différentes méthodes a donné lieu à une divergence célèbre. La tension s’aggrave si l’on tient compte de l’énergie noire précoce (EDE) — une composante hypothétique introduite pour résoudre le problème de la constante de Hubble et qui exige une quantité légèrement plus élevée de baryons. Adam Riess, qui a découvert l’accélération de l’Univers, a été le premier à remarquer cette énigme. Dès les années 1920, Georges Lemaître a jeté les bases de la théorie de l’expansion de l’Univers, et aujourd’hui ses équations servent à tester des hypothèses exotiques. C’est de cette contradiction qu’est née l’idée d’une expansion non standard à l’époque de la nucléosynthèse.
Pour tester cette hypothèse, les auteurs ont utilisé le code PRIMAT — une implémentation moderne de la théorie BBN, réécrite en Python. Ils ont comparé trois scénarios : le ΛCDM standard, un modèle avec un excès constant de rayonnement (paramètre ΔN_eff) et un modèle avec de l’énergie noire très précoce (vEDE). La vEDE décrit un champ scalaire qui s’est figé jusqu’à un décalage vers le rouge critique, puis s’est rapidement désintégré, augmentant temporairement le taux d’expansion. Le paramètre clé est l’accélération relative $δ_D$ = ΔH/H à la température $T_D$ = 3,4×$10^8$ K (≈0,03 MeV) : à ce moment-là, le deutérium finissait de brûler, alors que l’hélium-4 était déjà presque formé. Ce choix isole l’effet sur le deutérium sans modifier l’hélium. Les abondances ont été calculées conjointement à une inférence bayésienne MCMC et à un profilage de la vraisemblance, en tenant compte des erreurs expérimentales et théoriques.
Dans le ΛCDM standard, la densité baryonique issue de BBN ($ω_b$ ≈ 0,02188) diffère de l’estimation du CMB dans le modèle EDE ($ω_b$ = 0,02272) à un niveau de 3,1σ. L’ajout d’un rayonnement constant ΔN_eff n’arrange rien : il augmente trop l’abondance d’hélium, et la tension reste à 3,1σ. La vEDE se comporte différemment : une accélération de $δ_D$ = 0,087 (8,7 %) à l’époque de la combustion du deutérium maintient D/H au niveau observé ($10^5$ D/H = 2,527), alors que l’hélium ne varie que de quelques fractions de pour cent. L’analyse conjointe BBN+CMB donne $δ_D$ = 0,087±0,036, avec une borne supérieure sur le logarithme du décalage vers le rouge critique : log_10 $z_c$ < 8,3 (niveau de confiance à 95 %). La tension statistique chute à $Q_{DMAP}$ = 0,7σ, c’est-à-dire qu’elle disparaît complètement. Le critère d’information d’Akaike indique une forte préférence pour la vEDE par rapport au ΛCDM (ΔAIC ≈ −5,3), tandis que le modèle avec ΔN_eff est moins performant.
Ce résultat signifie que les données de la nucléosynthèse sont sensibles non seulement à la quantité d’énergie supplémentaire, mais aussi au moment précis où elle a été injectée dans l’expansion. Cela contraste avec l’excès habituel de particules de type neutrino et exige un scénario très spécifique : un champ scalaire léger dont la masse est ajustée à la dynamique à des températures d’environ 30 keV. Une telle composante s’insère naturellement dans l’idée d’un « axivers » — un spectre de champs de type axion traversant l’histoire cosmologique, de l’inflation à l’accélération actuelle. La vEDE devient ainsi une nouvelle fenêtre sur ce secteur sombre, aux côtés de l’énergie noire classique et, peut-être, de l’inflation.
L’hypothèse de la vEDE ouvre la voie à une concordance entre BBN et CMB dans les modèles étendus. Pour la vérifier, il faut une analyse conjointe des données : CMB, structures à grande échelle, supernovae et abondances des éléments légers. Les travaux futurs incluront la vEDE dans des ajustements multi-composantes, par exemple EDE + vEDE, et évalueront l’impact de la transition de la vEDE sur le spectre de puissance de la matière à petite échelle. L’amélioration des données nucléaires pour les réactions impliquant le deutérium pourrait renforcer ou atténuer la tension observée, précisant ainsi les paramètres du champ.
Cette découverte a un impact sur toute la cosmologie observationnelle : du Fond diffus cosmologique aux structures à grande échelle en passant par la nucléosynthèse primordiale.
Il est prévu de réaliser un ajustement conjoint complet des modèles EDE et vEDE aux données de Planck, ACT, SPT, DESI et SH0ES, ainsi qu’une détermination plus précise des taux de réactions nucléaires par l’expérience.
L’article aborde plusieurs énigmes non résolues : [open_problem:le problème de la constante de Hubble], [open_problem:la nature de l’énergie noire], [open_problem:le problème du lithium] et [open_problem:la divergence de la densité baryonique] entre BBN et CMB. Il montre comment la microphysique à l’échelle de 0,03 MeV peut se manifester dans la danse globale des galaxies.
Cette section s'adresse à l'auteur du travail et à ses collègues. Les travaux voisins ont été trouvés par une recherche sémantique dans notre archive, et non par correspondance de mots. Nous n'évaluons pas : nous montrons le champ autour.
Ce que fait ce travail
Les auteurs ont examiné l'hypothèse d'une énergie noire très précoce (vEDE), qui aurait temporairement accéléré l'expansion de l'Univers à l'époque de la nucléosynthèse. À l'aide du code PRIMAT et d'une analyse bayésienne, ils ont montré qu'une accélération de 8,7 % à une température d'environ 0,03 MeV permet de concilier l'abondance mesurée du deutérium avec les données du fond diffus cosmologique, sans affecter l'hélium-4.
Où est sa force
Le réglage fin de la vEDE sur un intervalle de température spécifique, où le deutérium est encore sensible au taux d'expansion mais où l'hélium ne l'est plus, permet de lever isolément la tension entre BBN et CMB, sans détruire les prédictions pour les autres éléments.
Vers où avancer
À essayer
Pourquoi cela peut compter
Si la vEDE ou des mécanismes similaires se confirment, cela indiquerait une nouvelle physique dans l'Univers primordial, peut-être liée à des transitions de phase ou à une dynamique non triviale des champs scalaires, et aiderait à boucler la chaîne de cohérence depuis les premières minutes jusqu'à l'accélération actuelle.
Travaux voisins dans notre archive
L'archive est dense autour de ce travail : 4 analyses voisines, la plus proche à 0.70. Le terrain est fréquenté, et il y a de quoi se comparer.
Pendant que vous lisiez ce paragraphe, tout le deutérium actuellement présent dans l’Univers aurait pu être créé — si le taux d’expansion des premières minutes avait été supérieur de 9 % au taux standard, pendant une fraction de seconde seulement.