Chacun de ces instantanés du télescope spatial Hubble révèle quatre images déformées d'un quasar d'arrière-plan entourant le noyau central d'une galaxie massive au premier plan. Les multiples images de quasar ont été produites par la gravité de la galaxie de premier plan, qui agit comme une loupe en déformant la lumière du quasar dans un effet appelé lentille gravitationnelle. Les quasars sont des lampadaires cosmiques extrêmement éloignés produits par des trous noirs actifs. Les rayons lumineux de chaque image de quasar à lentille empruntent un chemin légèrement différent à travers l'espace pour atteindre la Terre. La longueur du chemin dépend de la quantité de matière qui déforme l'espace le long de la ligne de mire du quasar. Pour tracer chaque chemin, les astronomes surveillent le scintillement de la lumière du quasar alors que son trou noir engloutit de la matière. Quand la lumière clignote, chaque image de l'objectif s'éclaircit à un moment différent. Cette séquence de scintillement permet aux chercheurs de mesurer les délais entre chaque image alors que la lumière de la lentille se déplace le long de son chemin vers la Terre. Ces mesures de retard ont aidé les astronomes à calculer la vitesse de croissance de l'univers, une valeur appelée constante de Hubble. Crédit :NASA, ESA, S.H. Suyu (Institut Max Planck d'Astrophysique, Université technique de Munich, et l'Institut d'astronomie et d'astrophysique Academia Sinica), et K.C. Wong (Institut Kavli pour la physique et les mathématiques de l'univers de l'Université de Tokyo)
Une équipe d'astronomes utilisant le télescope spatial Hubble de la NASA a mesuré le taux d'expansion de l'univers à l'aide d'une technique totalement indépendante de toute méthode précédente.
Connaître la valeur précise de la vitesse à laquelle l'univers s'étend est important pour déterminer l'âge, Taille, et le destin du cosmos. Démêler ce mystère a été l'un des plus grands défis de l'astrophysique ces dernières années. La nouvelle étude ajoute des preuves à l'idée que de nouvelles théories peuvent être nécessaires pour expliquer ce que les scientifiques trouvent.
Le résultat des chercheurs renforce encore un écart troublant entre le taux d'expansion, appelée constante de Hubble, calculé à partir de mesures de l'univers local et du taux tel que prédit à partir du rayonnement de fond dans l'univers primitif, un temps avant même que les galaxies et les étoiles n'existent.
Cette dernière valeur représente la mesure la plus précise à ce jour utilisant la méthode de lentille gravitationnelle, où la gravité d'une galaxie au premier plan agit comme une loupe géante, amplifier et déformer la lumière des objets d'arrière-plan. Cette dernière étude ne s'est pas appuyée sur la technique traditionnelle de "l'échelle de distance cosmique" pour mesurer des distances précises jusqu'aux galaxies en utilisant divers types d'étoiles comme "marqueurs kilométriques". Au lieu, les chercheurs ont utilisé la physique exotique de la lentille gravitationnelle pour calculer le taux d'expansion de l'univers.
L'équipe d'astronomie qui a effectué les nouvelles mesures de constantes de Hubble est surnommée H0LiCOW (lentilles H0 dans Wellspring de COSMOGRAIL). COSMOGRAIL est l'acronyme de Cosmological Monitoring of Gravitational Lenses, un grand projet international dont l'objectif est la surveillance des lentilles gravitationnelles. « Wellspring » fait référence à l'abondante offre de systèmes de lentilles quasars.
Ce graphique répertorie la variété de techniques que les astronomes ont utilisées pour mesurer le taux d'expansion de l'univers, connue sous le nom de constante de Hubble. Connaître la valeur précise de la vitesse à laquelle l'univers s'étend est important pour déterminer l'âge, Taille, et le destin du cosmos. Crédit :NASA, ESA, et A. James (STScI)
L'équipe de recherche a dérivé la valeur H0LiCOW pour la constante de Hubble grâce à des techniques d'observation et d'analyse qui ont été considérablement affinées au cours des deux dernières décennies.
H0LiCOW et d'autres mesures récentes suggèrent un taux d'expansion plus rapide dans l'univers local que prévu sur la base des observations du satellite Planck de l'Agence spatiale européenne sur le comportement du cosmos il y a plus de 13 milliards d'années.
Le fossé entre les deux valeurs a des implications importantes pour la compréhension des paramètres physiques sous-jacents de l'univers et peut nécessiter une nouvelle physique pour tenir compte de l'inadéquation.
"Si ces résultats ne concordent pas, cela peut être un indice que nous ne comprenons pas encore pleinement comment la matière et l'énergie ont évolué au fil du temps, surtout au début, " a déclaré Sherry Suyu, chef de l'équipe H0LiCOW de l'Institut Max Planck d'astrophysique en Allemagne, l'Université technique de Munich, et l'Institut d'astronomie et d'astrophysique Academia Sinica à Taipei, Taïwan.
Comment ils ont fait
L'équipe H0LiCOW a utilisé Hubble pour observer la lumière de six quasars lointains, les projecteurs brillants du gaz en orbite autour des trous noirs supermassifs au centre des galaxies. Les quasars sont des objets d'arrière-plan idéaux pour de nombreuses raisons; par exemple, ils sont brillants, extrêmement éloigné, et dispersés dans tout le ciel. Le télescope a observé comment la lumière de chaque quasar était multipliée en quatre images par la gravité d'une galaxie massive au premier plan. Les galaxies étudiées sont distantes de 3 à 6,5 milliards d'années-lumière. La distance moyenne des quasars est de 5,5 milliards d'années-lumière de la Terre.
Les rayons lumineux de chaque image de quasar à lentille empruntent un chemin légèrement différent à travers l'espace pour atteindre la Terre. La longueur du chemin dépend de la quantité de matière qui déforme l'espace le long de la ligne de mire vers le quasar. Pour tracer chaque chemin, les astronomes surveillent le scintillement de la lumière du quasar alors que son trou noir engloutit de la matière. Quand la lumière clignote, chaque image de l'objectif s'éclaircit à un moment différent.
Cette séquence de scintillement permet aux chercheurs de mesurer les délais entre chaque image alors que la lumière de la lentille se déplace le long de son chemin vers la Terre. Pour bien comprendre ces retards, l'équipe a d'abord utilisé Hubble pour créer des cartes précises de la répartition de la matière dans chaque galaxie lentille. Les astronomes pourraient alors déduire de manière fiable les distances de la galaxie au quasar, et de la Terre à la galaxie et au quasar de fond. En comparant ces valeurs de distance, les chercheurs ont mesuré le taux d'expansion de l'univers.
"La longueur de chaque délai indique à quelle vitesse l'univers s'étend, " a déclaré Kenneth Wong, membre de l'équipe de l'Institut Kavli de physique et de mathématiques de l'univers de l'Université de Tokyo, auteur principal du dernier article de la collaboration H0LiCOW. « Si les délais sont plus courts, alors l'univers s'étend à un rythme plus rapide. S'ils sont plus longs, alors le taux d'expansion est plus lent."
Le processus de retard est analogue à quatre trains quittant la même gare exactement à la même heure et voyageant à la même vitesse pour atteindre la même destination. Cependant, chacun des trains arrive à destination à une heure différente. C'est parce que chaque train prend un itinéraire différent, et la distance pour chaque itinéraire n'est pas la même. Certains trains traversent des collines. D'autres traversent des vallées, et d'autres encore se promènent dans les montagnes. Depuis les heures d'arrivée variées, on peut en déduire que chaque train a parcouru une distance différente pour atteindre le même arrêt. De la même manière, le motif de scintillement du quasar n'apparaît pas en même temps car une partie de la lumière est retardée en se déplaçant autour des coudes créés par la gravité de la matière dense dans la galaxie intermédiaire.
Image de boussole de quasars à lentille gravitationnelle. Crédit :NASA, ESA, S.H. Suyu (Institut Max Planck d'Astrophysique, Université technique de Munich, et l'Institut d'astronomie et d'astrophysique Academia Sinica), et K.C. Wong (Institut Kavli pour la physique et les mathématiques de l'univers de l'Université de Tokyo)
Comment ça se compare
Les chercheurs ont calculé une valeur constante de Hubble de 73 kilomètres par seconde par mégaparsec (avec une incertitude de 2,4%). Cela signifie que pour chaque 3,3 millions d'années-lumière supplémentaires qu'une galaxie est éloignée de la Terre, il semble se déplacer 73 kilomètres par seconde plus vite, à cause de l'expansion de l'univers.
La mesure de l'équipe est également proche de la valeur constante de Hubble de 74 calculée par la Supernova H0 pour l'équipe Equation of State (SH0ES), qui utilisait la technique de l'échelle de distance cosmique. La mesure SH0ES est basée sur la mesure des distances aux galaxies proches et éloignées de la Terre en utilisant des étoiles variables céphéides et des supernovas comme bâtons de mesure pour les galaxies.
Les valeurs SH0ES et H0LiCOW diffèrent significativement du nombre de Planck de 67, renforcer la tension entre les mesures constantes de Hubble de l'univers moderne et la valeur prédite basée sur les observations de l'univers primitif.
"L'un des défis que nous avons surmontés était d'avoir des programmes de surveillance dédiés via COSMOGRAIL pour obtenir les délais de plusieurs de ces systèmes de lentilles de quasars, " a déclaré Frédéric Courbin de l'Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne, chef de file du projet COSMOGRAIL.
Suyu a ajouté :"En même temps, de nouvelles techniques de modélisation de masse ont été développées pour mesurer la distribution de matière d'une galaxie, y compris les modèles que nous avons conçus pour utiliser l'imagerie Hubble haute résolution. Les images nous ont permis de reconstituer, par exemple, les galaxies hôtes des quasars. Ces images, ainsi que des images supplémentaires à plus large champ prises à partir de télescopes au sol, permettent également de caractériser l'environnement du système de lentilles, qui affecte la courbure des rayons lumineux. Les nouvelles techniques de modélisation de masse, en combinaison avec les temporisations, nous aident à mesurer des distances précises aux galaxies.
Commencé en 2012, l'équipe H0LiCOW dispose désormais d'images de Hubble et d'informations sur les délais pour 10 quasars à lentilles et galaxies à lentilles intermédiaires. L'équipe continuera de rechercher et de suivre de nouveaux quasars à lentille en collaboration avec des chercheurs de deux nouveaux programmes. Un programme, appelé STRIDES (STRong-lensing Insights into Dark Energy Survey), est à la recherche de nouveaux systèmes de quasars à lentille. La deuxième, appelé SHARP (Strong-lensing at High Angular Resolution Program), utilise l'optique adaptative avec le W.M. Keck télescopes pour imager les systèmes de lentilles. L'objectif de l'équipe est d'observer 30 systèmes de quasars à lentilles supplémentaires pour réduire leur incertitude de 2,4% à 1%.
Le prochain télescope spatial James Webb de la NASA, lancement prévu en 2021, peut les aider à atteindre leur objectif de 1% d'incertitude beaucoup plus rapidement grâce à la capacité de Webb à cartographier les vitesses des étoiles dans une galaxie lentille, qui permettra aux astronomes de développer des modèles plus précis de la distribution de la matière noire dans la galaxie.
Les travaux de l'équipe H0LiCOW ouvrent également la voie à l'étude de centaines de quasars à lentilles que les astronomes découvrent grâce à des enquêtes telles que le Dark Energy Survey et PanSTARRS (Panoramic Survey Telescope and Rapid Response System), et le prochain télescope d'enquête synoptique de la National Science Foundation, qui devrait découvrir des milliers de sources supplémentaires.
En outre, Le télescope d'enquête infrarouge à champ large de la NASA (WFIRST) aidera les astronomes à résoudre le désaccord sur la valeur constante de Hubble en retraçant l'histoire de l'expansion de l'univers. La mission utilisera également plusieurs techniques, comme l'échantillonnage de milliers de supernovae et d'autres objets à différentes distances, pour aider à déterminer si l'écart est le résultat d'erreurs de mesure, technique d'observation, ou si les astronomes doivent ajuster la théorie à partir de laquelle ils tirent leurs prédictions.
L'équipe présentera ses résultats à la 235e réunion de l'American Astronomical Society à Honolulu, Hawaii.
