Un nouvel ensemble de mesures de distance de précision effectuées avec une collection internationale de radiotélescopes a considérablement augmenté la probabilité que les théoriciens aient besoin de réviser le "modèle standard" qui décrit la nature fondamentale de l'Univers.

Les nouvelles mesures de distance ont permis aux astronomes d'affiner leur calcul de la constante de Hubble, le taux d'expansion de l'Univers, une valeur importante pour tester le modèle théorique décrivant la composition et l'évolution de l'Univers. Le problème est que les nouvelles mesures exacerbent un écart entre les valeurs précédemment mesurées de la constante de Hubble et la valeur prédite par le modèle lorsqu'elles sont appliquées aux mesures du fond diffus cosmologique effectuées par le satellite Planck.

"Nous constatons que les galaxies sont plus proches que prévu par le modèle standard de la cosmologie, corroborant un problème identifié dans d'autres types de mesures de distance. Il y a eu un débat pour savoir si ce problème réside dans le modèle lui-même ou dans les mesures utilisées pour le tester. Notre travail utilise une technique de mesure de distance totalement indépendante de toutes les autres, et nous renforçons la disparité entre les valeurs mesurées et prédites. Il est probable que le modèle cosmologique de base impliqué dans les prédictions soit le problème, " dit James Braatz, de l'Observatoire national de radioastronomie (NRAO).

Braatz dirige le projet de cosmologie Megamaser, un effort international pour mesurer la constante de Hubble en trouvant des galaxies avec des propriétés spécifiques qui se prêtent à donner des distances géométriques précises. Le projet a utilisé le Very Long Baseline Array (VLBA) de la National Science Foundation, Karl G. Jansky Very Large Array (VLA), et le télescope Robert C. Byrd Green Bank (GBT), avec le télescope Effelsberg en Allemagne. L'équipe a rendu compte de ses derniers résultats dans le Lettres de revues astrophysiques .

Edwin Hubble, d'après qui le télescope spatial Hubble en orbite porte le nom, a calculé pour la première fois le taux d'expansion de l'univers (la constante de Hubble) en 1929 en mesurant les distances aux galaxies et leurs vitesses de récession. Plus une galaxie est éloignée, plus sa vitesse de retrait de la Terre est grande. Aujourd'hui, la constante de Hubble reste une propriété fondamentale de la cosmologie observationnelle et l'objet de nombreuses études modernes.

La mesure des vitesses de récession des galaxies est relativement simple. Déterminer les distances cosmiques, cependant, a été une tâche difficile pour les astronomes. Pour les objets de notre propre galaxie de la Voie lactée, les astronomes peuvent obtenir des distances en mesurant le décalage apparent de la position de l'objet vu des côtés opposés de l'orbite de la Terre autour du Soleil, un effet appelé parallaxe. La première mesure de ce type de la distance de parallaxe d'une étoile date de 1838.

Au-delà de notre propre Galaxie, les parallaxes sont trop petites pour être mesurées, les astronomes se sont donc appuyés sur des objets appelés "bougies standard, " ainsi nommée parce que leur luminosité intrinsèque est présumée connue. La distance à un objet de luminosité connue peut être calculée en fonction de la luminosité de l'objet depuis la Terre. Ces bougies standard comprennent une classe d'étoiles appelées variables céphéides et un type spécifique de explosion stellaire appelée supernova de type Ia.

Une autre méthode d'estimation du taux d'expansion consiste à observer des quasars distants dont la lumière est déformée par l'effet gravitationnel d'une galaxie de premier plan en plusieurs images. Lorsque le quasar varie en luminosité, le changement apparaît dans les différentes images à des moments différents. En mesurant ce décalage horaire, ainsi que des calculs de la géométrie de la lumière-flexion, donne une estimation du taux d'expansion.

Les déterminations de la constante de Hubble basées sur les bougies standard et les quasars à lentille gravitationnelle ont produit des chiffres de 73 à 74 kilomètres par seconde (la vitesse) par mégaparsec (distance en unités privilégiées par les astronomes).

Cependant, les prédictions de la constante de Hubble du modèle cosmologique standard lorsqu'elles sont appliquées aux mesures du fond diffus cosmologique (CMB) - le rayonnement résiduel du Big Bang - produisent une valeur de 67,4, une différence importante et troublante. Cette différence, ce que les astronomes disent est au-delà des erreurs expérimentales dans les observations, a de sérieuses implications pour le modèle standard.

Le modèle s'appelle Lambda Cold Dark Matter, ou Lambda CDM, où « Lambda » fait référence à la constante cosmologique d'Einstein et est une représentation de l'énergie noire. Le modèle divise la composition de l'Univers principalement entre la matière ordinaire, matière noire, et l'énergie noire, et décrit comment l'Univers a évolué depuis le Big Bang.

Le projet de cosmologie Megamaser se concentre sur les galaxies avec des disques de gaz moléculaire aqueux en orbite autour de trous noirs supermassifs au centre des galaxies. Si le disque en orbite est vu presque de côté depuis la Terre, points lumineux d'émission radio, appelés masers - analogues radio aux lasers à lumière visible - peuvent être utilisés pour déterminer à la fois la taille physique du disque et son étendue angulaire, et donc, par la géométrie, son éloignement. L'équipe du projet utilise la collection mondiale de radiotélescopes pour effectuer les mesures de précision nécessaires à cette technique.

Dans leur dernier ouvrage, l'équipe a affiné ses mesures de distance à quatre galaxies, à des distances allant de 168 millions d'années-lumière à 431 millions d'années-lumière. Combiné avec les mesures de distance précédentes de deux autres galaxies, leurs calculs ont produit une valeur pour la constante de Hubble de 73,9 kilomètres par seconde par mégaparsec.

« Tester le modèle standard de la cosmologie est un problème vraiment difficile qui nécessite les meilleures mesures jamais réalisées de la constante de Hubble. L'écart entre les valeurs prédites et mesurées de la constante de Hubble indique l'un des problèmes les plus fondamentaux de toute la physique, donc on aimerait en avoir plusieurs, des mesures indépendantes qui corroborent le problème et testent le modèle. Notre méthode est géométrique, et totalement indépendant de tous les autres, et cela renforce l'écart, " dit Dom Pesce, un chercheur au Centre d'Astrophysique | Harvard et Smithsonian, et auteur principal du dernier article.

"La méthode maser de mesurer le taux d'expansion de l'univers est élégante, et, contrairement aux autres, basé sur la géométrie. En mesurant les positions et la dynamique extrêmement précises des taches maser dans le disque d'accrétion entourant un trou noir distant, nous pouvons déterminer la distance aux galaxies hôtes, puis le taux d'expansion. Le résultat de cette technique unique renforce les arguments en faveur d'un problème clé de la cosmologie observationnelle", a déclaré Mark Reid du Center for Astrophysics | Harvard and Smithsonian, et membre de l'équipe du projet Megamaser Cosmology.

"Notre mesure de la constante de Hubble est très proche d'autres mesures récentes, et statistiquement très différent des prédictions basées sur le CMB et le modèle cosmologique standard. Tout indique que le modèle standard doit être révisé, " dit Braatz.

Les astronomes ont différentes manières d'ajuster le modèle pour résoudre l'écart. Certains d'entre eux incluent des présomptions changeantes sur la nature de l'énergie noire, s'éloigner de la constante cosmologique d'Einstein. D'autres examinent les changements fondamentaux de la physique des particules, comme changer le nombre ou les types de neutrinos ou les possibilités d'interactions entre eux. Il y a d'autres possibilités, encore plus exotique, et pour le moment, les scientifiques n'ont aucune preuve claire de discrimination entre eux.

« C'est un cas classique de l'interaction entre l'observation et la théorie. Le modèle Lambda CDM a plutôt bien fonctionné pendant des années, mais maintenant, les observations indiquent clairement un problème qui doit être résolu, et il semble que le problème réside dans le modèle, " dit Pesce.