L'Univers n'est pas fractal à grande échelle

Le modèle du Big Bang décrit l’évolution de l’Univers depuis une fraction de seconde après sa naissance jusqu'à aujourd’hui. Il repose sur deux hypothèses fondamentales : l’Univers est homogène et isotrope à grande échelle. Le premier critère indique que les propriétés de l’Univers sont les mêmes d’un endroit de l’espace à un autre, tandis que le second stipule qu’elles sont identiques dans toutes les directions. Morag Scrimgeour, du Centre international de recherche en radio-astronomie en Australie, et ses collègues ont utilisé le catalogue de galaxies observées par l’expérience WiggleZ pour vérifier ces propriétés de l’Univers aux grandes échelles.

L’homogénéité n’est en effet pas vérifiée à toutes les échelles. Nous observons des structures évidentes : galaxies,  amas de galaxies ou superamas de galaxies. De vastes régions sont quasiment vides de matière, tandis que d’autres sont relativement denses. Cette organisation persiste-t-elle à toutes les échelles, comme dans les objets fractals, ou une transition s’opére-t-elle à très grande échelle vers un Univers qui semble homogène ? Dans ce dernier cas, les structures apparentes à petite échelle sont « lissées » aux échelles plus grandes, de la même façon que les pixels d'une image sont visibles individuellement si on regarde d'assez près, mais renvoient une impression d’ensemble homogène quand on prend du recul. Dans le modèle du Big Bang, la condition d’homogénéité à grande échelle – et celle d’isotropie – est cruciale. En particulier, les symétries dans les équations qu’elle implique simplifient considérablement les calculs.

L’étude de la distribution des galaxies est une façon de mettre en évidence une structure fractale, ou au contraire de vérifier l’homogénéité de l’Univers. En 2005, des astrophysiciens avaient utilisé pour ce faire le grand catalogue du  Sloan Digital Sky Survey (SDSS). Leur méthode avait consisté à compter le nombre de galaxies dans une sphère de volume donné (centrée sur une galaxie), et à déterminer à partir de quel rayon ce nombre est proportionnel au volume de la sphère (au cube du rayon). Il s'agit de l'échelle minimale à partir de laquelle on peut considérer que l'Univers est homogène.

L’expérience WiggleZ, conduite avec un télescope anglo-australien, a établi un catalogue de 239 000 galaxies distantes de moins de 10 milliards d’années-lumière (un décalage vers le rouge z=1, contre seulement z=0,3 pour SDSS). Les astrophysiciens ont sélectionné 180 000 de ces galaxies pour étudier l’homogénéité de l’Univers aujourd’hui et à différentes époques passées. Ils ont combiné la méthode utilisée sur les données de SDSS avec une analyse fondée sur une théorie plus générale reposant sur les fractales. Ils ont aussi utilisé une simulation à N corps modélisant l'évolution de l'Univers et la formation des grandes structures pour valider leur approche. Cette méthode a livré des résultats équivalents. Ainsi, les observations sont compatibles avec un Univers homogène aux échelles comprises entre 350 et 1 400 millions d’années-lumière, ce qui renforce l'une des hypothèses clefs du Big Bang