Disposant de technologies et de techniques de pointe, une équipe d'astrophysiciens de l'Université de Clemson a ajouté une nouvelle approche pour quantifier l'une des lois les plus fondamentales de l'univers.

Dans un article publié vendredi, 8 novembre dans Le Journal d'Astrophysique , Les scientifiques de Clemson Marco Ajello, Abhishek Desai, Lea Marcotulli et Dieter Hartmann ont collaboré avec six autres scientifiques du monde entier pour concevoir une nouvelle mesure de la constante de Hubble, l'unité de mesure utilisée pour décrire le taux d'expansion de l'univers.

"La cosmologie consiste à comprendre l'évolution de notre univers - comment il a évolué dans le passé, ce qu'il fait maintenant et ce qui se passera à l'avenir, " dit Ajello, professeur agrégé au département de physique et d'astronomie du Collège des sciences. "Notre connaissance repose sur un certain nombre de paramètres, dont la constante de Hubble, que nous nous efforçons de mesurer le plus précisément possible. Dans cet article, notre équipe a analysé les données obtenues à la fois par des télescopes en orbite et au sol pour proposer l'une des mesures les plus récentes à ce jour de la vitesse à laquelle l'univers s'étend."

Le concept d'un univers en expansion a été avancé par l'astronome américain Edwin Hubble (1889-1953), qui est l'homonyme du télescope spatial Hubble. Au début du XXe siècle, Hubble est devenu l'un des premiers astronomes à déduire que l'univers était composé de plusieurs galaxies. Ses recherches ultérieures ont conduit à sa découverte la plus célèbre :que les galaxies s'éloignaient les unes des autres à une vitesse proportionnelle à leur distance.

Hubble a initialement estimé le taux d'expansion à 500 kilomètres par seconde par mégaparsec, avec un mégaparsec équivalent à environ 3,26 millions d'années-lumière. Hubble a conclu qu'une galaxie à deux mégaparsecs de notre galaxie reculait deux fois plus vite qu'une galaxie à seulement un mégaparsec de distance. Cette estimation est devenue connue sous le nom de constante de Hubble, qui prouvait pour la première fois que l'univers était en expansion. Depuis, les astronomes l'ont recalibré, avec des résultats mitigés.

Avec l'aide de technologies fulgurantes, les astronomes ont obtenu des mesures qui différaient considérablement des calculs originaux de Hubble, ralentissant le taux d'expansion à entre 50 et 100 kilomètres par seconde par mégaparsec. Et au cours de la dernière décennie, instruments ultra-sophistiqués, comme le satellite Planck, ont augmenté la précision des mesures originales de Hubble de façon relativement spectaculaire.

Dans un article intitulé "A New Measurement of the Hubble Constant and Matter Content of the Universe using Extragalactic Background Light-Gamma Ray Attenuation, " l'équipe collaborative a comparé les dernières données d'atténuation des rayons gamma du télescope spatial Fermi à rayons gamma et des télescopes d'imagerie atmosphérique Cherenkov pour élaborer leurs estimations à partir de modèles de lumière de fond extragalactique. Cette nouvelle stratégie a conduit à une mesure d'environ 67,5 kilomètres par seconde par mégaparsec. .

Les rayons gamma sont la forme de lumière la plus énergétique. La lumière de fond extragalactique (EBL) est un brouillard cosmique composé de tous les ultraviolets, lumière visible et infrarouge émise par les étoiles ou par la poussière à proximité. Lorsque les rayons gamma et l'EBL interagissent, ils laissent une empreinte observable - une perte progressive de flux - que les scientifiques ont pu analyser en formulant leur hypothèse.

"La communauté astronomique investit une très grande quantité d'argent et de ressources dans la cosmologie de précision avec tous les différents paramètres, y compris la constante de Hubble, " a déclaré Dieter Hartmann, professeur de physique et d'astronomie. "Notre compréhension de ces constantes fondamentales a défini l'univers tel que nous le connaissons maintenant. Lorsque notre compréhension des lois devient plus précise, notre définition de l'univers devient aussi plus précise, ce qui conduit à de nouvelles idées et découvertes."

Une analogie courante de l'expansion de l'univers est un ballon parsemé de taches, avec chaque tache représentant une galaxie. Quand le ballon est gonflé, les taches s'écartent de plus en plus.

"Certains théorisent que le ballon va se dilater jusqu'à un moment donné puis se ré-effondrer, " dit Desai, assistant de recherche diplômé au département de physique et d'astronomie. "Mais la croyance la plus courante est que l'univers continuera à s'étendre jusqu'à ce que tout soit si éloigné qu'il n'y aura plus de lumière observable. À ce stade, l'univers subira une mort froide. Mais ce n'est pas une préoccupation pour nous. Si ça arrive, ce sera dans des milliers de milliards d'années."

Mais si l'analogie avec le ballon est exacte, Qu'est-ce que c'est, exactement, qui fait exploser le ballon ?

"Matière - les étoiles, les planètes, même nous-est juste une petite fraction de la composition globale de l'univers, " Ajello a expliqué. " La grande majorité de l'univers est composée d'énergie noire et de matière noire. Et nous pensons que c'est l'énergie noire qui « fait exploser le ballon ». L'énergie noire éloigne les choses les unes des autres. La gravité, qui attire les objets les uns vers les autres, est la force la plus forte au niveau local, c'est pourquoi certaines galaxies continuent à entrer en collision. Mais à des distances cosmiques, l'énergie noire est la force dominante."

Les autres auteurs contributeurs sont l'auteur principal Alberto Dominguez de l'Université Complutense de Madrid; Radek Wojtak de l'Université de Copenhague; Justin Finke du Naval Research Laboratory à Washington, D.C. ; Kari Helgason de l'Université d'Islande; Francisco Prada de l'Instituto de Astrofisica de Andalucia; et Vaidehi Paliya, un ancien chercheur postdoctoral dans le groupe d'Ajello à Clemson qui est maintenant à Deutsches Elektronen-Synchrotron à Zeuthen, Allemagne.

"Il est remarquable que nous utilisions des rayons gamma pour étudier la cosmologie. Notre technique nous permet d'utiliser une stratégie indépendante - une nouvelle méthodologie indépendante de celles existantes - pour mesurer les propriétés cruciales de l'univers, " dit Dominguez, qui est aussi un ancien chercheur postdoctoral dans le groupe d'Ajello. "Nos résultats montrent la maturité atteinte au cours de la dernière décennie par le domaine relativement récent de l'astrophysique des hautes énergies. L'analyse que nous avons développée ouvre la voie à de meilleures mesures à l'avenir en utilisant le Cherenkov Telescope Array, qui est encore en développement et sera le réseau le plus ambitieux de télescopes terrestres à haute énergie jamais créés. »

Bon nombre des mêmes techniques utilisées dans le présent document sont en corrélation avec des travaux antérieurs menés par Ajello et ses homologues. Dans un projet antérieur, paru dans le journal Science , Ajello et son équipe ont pu mesurer toute la lumière des étoiles jamais émise dans l'histoire de l'univers.

"Ce que nous savons, c'est que les photons gamma provenant de sources extragalactiques voyagent dans l'univers vers la Terre, où ils peuvent être absorbés en interagissant avec les photons de la lumière des étoiles, " Ajello a déclaré. "Le taux d'interaction dépend de la longueur qu'ils voyagent dans l'univers. Et la longueur qu'ils parcourent dépend de l'expansion. Si l'expansion est faible, ils parcourent une petite distance. Si l'expansion est importante, ils parcourent une très grande distance. Ainsi, la quantité d'absorption que nous avons mesurée dépendait très fortement de la valeur de la constante de Hubble. Ce que nous avons fait, c'est inverser la tendance et l'utiliser pour limiter le taux d'expansion de l'univers."