Problèmes ouverts

À quoi ressemblaient les premières étoiles (Population III) ?

Les premières étoiles se sont formées à partir de gaz hydrogène-hélium pur, sans métaux pour le refroidir : les modèles prédisent qu'elles étaient massives (dizaines à centaines de masses solaires) et éphémères, semant les premiers éléments lourds et peut-être les premiers trous noirs. Aucune n'a été observée directement.

Qu'est-ce qui produit les sursauts radio rapides (FRB) ?

Des flashs radio de quelques millisecondes transportant l'énergie de plusieurs jours de production solaire arrivent de distances extragalactiques. Des milliers sont catalogués ; certains se répètent, la plupart non. Les magnétars sont une source prouvée pour au moins un sursaut, mais qu'ils expliquent toute la population — surtout la majorité apparemment non répétitive — reste incertain.

Quelle est l'équation d'état de la matière à l'intérieur des étoiles à neutrons ?

Les cœurs d'étoiles à neutrons compriment la matière à plusieurs fois la densité nucléaire — un régime qu'aucun laboratoire ne peut atteindre. L'équation d'état détermine la masse maximale, le rayon, la déformabilité tidale et si les cœurs contiennent des hypérons, de la matière de quarks ou de nouvelles phases.

Comment les premiers trous noirs supermassifs ont-ils grandi si vite ?

Des quasars alimentés par des trous noirs de ~10^9 masses solaires existaient déjà à z > 7, moins de 800 millions d'années après le Big Bang. Les graines de résidus stellaires accrétant à la limite d'Eddington ne peuvent croître assez vite, poussant les théoriciens vers des « graines lourdes » — trous noirs à effondrement direct ou fusions en chaîne dans des amas denses.

Quelle est la nature de l'énergie sombre ?

L'observation de supernovae lointaines en 1998 a montré que l'expansion cosmique accélère. La cause inconnue — environ 68 % du budget énergétique de l'univers — est appelée énergie sombre, mais on ignore s'il s'agit d'une constante cosmologique, d'un champ dynamique ou du signe que la relativité générale échoue aux grandes échelles.

Quelle particule (ou quel objet) constitue la matière sombre ?

Les courbes de rotation des galaxies, les lentilles gravitationnelles, l'amas de la Balle et le CMB exigent tous environ cinq fois plus de masse gravitationnelle que les baryons visibles. Que la matière sombre soit une particule à interaction faible, un axion, une population de trous noirs primordiaux ou autre chose reste indéterminé.

Pourquoi les mesures de H₀ de l'univers primordial et récent divergent-elles ?

Le taux d'expansion actuel inféré du CMB en supposant ΛCDM (~67,4 km/s/Mpc) est à ~5σ de la valeur de l'échelle des distances mesurée avec les céphéides et les supernovae (~73 km/s/Mpc). Soit une erreur systématique persiste des deux côtés, soit le modèle cosmologique standard est incomplet.

Pourquoi y a-t-il plus de matière que d'antimatière ?

L'univers observable ne contient pratiquement pas d'antimatière primordiale : pour ~10^9 photons il y a environ un baryon et zéro antibaryon. Sakharov a montré que cela exige la violation du nombre baryonique, la violation C/CP et un hors-équilibre — mais la violation CP mesurée dans le Modèle standard est bien trop faible.

Comment concilier la gravité avec la mécanique quantique ?

La relativité générale décrit une géométrie spatiotemporelle lisse ; la mécanique quantique décrit des champs probabilistes sur un fond fixe. Elles entrent en collision à l'échelle de Planck — dans les trous noirs et au Big Bang — et aucune expérience n'a encore testé une théorie de gravité quantique.

D'où viennent les rayons cosmiques d'ultra-haute énergie ?

Des particules chargées détectées au-dessus de 10^18 eV — y compris des événements proches de 10^20 eV, une énergie macroscopique dans une seule particule subatomique — doivent être accélérées par les objets les plus extrêmes de l'univers. Les sources candidates incluent les jets d'AGN, les sursauts gamma et les magnétars, mais la déviation par les champs magnétiques brouille les directions d'arrivée.

Par quelle voie la vie a-t-elle émergé de la chimie ?

La vie est apparue sur Terre en ~500 millions d'années après que la planète soit devenue habitable — remarquablement vite. Mais le pont entre la chimie prébiotique et le premier système auto-réplicatif, compartimenté et métabolisant reste à construire : nous savons fabriquer nucléotides et protocellules séparément, jamais ensemble et de façon auto-entretenue.

Où sont-ils tous ? Le paradoxe de Fermi et la recherche de technosignatures

La galaxie est assez vieille et assez grande pour que même une colonisation interstellaire lente l'ait remplie — pourtant le ciel est silencieux. Le paradoxe peut se dissoudre par un grand filtre devant ou derrière nous, par la rareté de l'intelligence, par une mauvaise méthode de recherche, ou par la brièveté des civilisations.