Si tout s'aligne bien, l'attraction gravitationnelle d'une galaxie peut transformer la lumière d'un quasar distant en quatre images distinctes. Et si la lumière qui forme ces images nous est parvenue par des chemins de longueurs légèrement différentes, les chercheurs peuvent mesurer les délais entre les trajets et déduire les distances jusqu'à la galaxie et le quasar lointain. (Illustration :Martin Millon/Ecole polytechnique fédérale de Lausanne. Crédit :Image galaxie et quasar :Télescope spatial Hubble/NASA
L'univers est en expansion, mais les astrophysiciens ne savent pas exactement à quelle vitesse cette expansion se produit - non pas parce qu'il n'y a pas de réponses, mais plutôt parce que les réponses qu'ils pourraient donner ne concordent pas.
Maintenant, Simon Birrer, chercheur postdoctoral à l'Université de Stanford et au Kavli Institute for Particle Physics and Astrophysics du Department of Energy's SLAC National Accelerator Laboratory, et une équipe internationale de chercheurs ont une nouvelle réponse qui peut, une fois affiné avec plus de données, aider à résoudre le débat.
Cette nouvelle réponse est le résultat de la révision d'une méthode vieille de plusieurs décennies appelée cosmographie à retardement avec de nouvelles hypothèses et des données supplémentaires pour dériver une nouvelle estimation de la constante de Hubble, une mesure de l'expansion de l'Univers. Birrer et ses collègues ont publié leurs résultats le 20 novembre dans la revue Astronomie et astrophysique .
"C'est la continuation d'un effort important et fructueux d'une décennie par une grande équipe, avec une remise à zéro de certains aspects clés de notre analyse, " Birrer a dit, et un rappel que "nous devrions toujours reconsidérer nos hypothèses. Nos travaux récents sont exactement dans cet esprit."
Distance, vitesse et son
Les cosmologistes savent depuis près d'un siècle que le cosmos est en expansion, et au cours de cette période, ils ont choisi deux manières principales de mesurer cette expansion. Une méthode est l'échelle de distance cosmique, une série d'étapes qui aident à estimer la distance aux supernovae lointaines. En examinant le spectre de la lumière de ces supernovae, les scientifiques peuvent calculer à quelle vitesse ils s'éloignent de nous, puis divisez par la distance pour estimer la constante de Hubble. (La constante de Hubble est généralement mesurée en kilomètres par seconde par mégaparsec, reflétant le fait que l'espace lui-même s'agrandit, de sorte que les objets plus éloignés s'éloignent de nous plus rapidement que les objets plus proches.)
Les astrophysiciens peuvent également estimer la constante à partir des ondulations du rayonnement de fond cosmique micro-ondes, ou CMB. Ces ondulations résultent des ondes sonores traversant le plasma dans l'univers primitif. En mesurant la taille des ondulations, ils peuvent déduire depuis combien de temps et à quelle distance la lumière CMB que nous voyons aujourd'hui a été créée. S'appuyant sur une théorie cosmologique bien établie, les chercheurs peuvent alors estimer à quelle vitesse l'univers s'étend.
Les deux approches, cependant, avoir des inconvénients. Les méthodes d'ondes sonores reposent fortement sur la façon dont le son a voyagé dans l'univers primitif, qui dépend à son tour du mélange particulier de types de matière à l'époque, sur combien de temps les ondes sonores ont voyagé avant de laisser leur empreinte sur le CMB, et sur des hypothèses sur l'expansion de l'univers depuis ce temps. Pendant ce temps, les méthodes d'échelle de distance cosmique enchaînent une série d'estimations, en commençant par les estimations radar de la distance au soleil et les estimations de parallaxe de la distance aux étoiles pulsantes appelées céphéides. Cela introduit une chaîne d'étalonnages et de mesures, dont chacun doit être suffisamment précis et précis pour assurer une estimation fiable de la constante de Hubble.
(Haut) L'attraction gravitationnelle d'une galaxie massive (objet central) courbe la lumière d'un quasar distant sur quatre chemins, résultant en quatre images du même quasar (A–D). Parce que chaque chemin a une longueur légèrement différente, la lumière prend différentes quantités de temps pour parcourir les chemins, les images semblent donc scintiller légèrement en décalage les unes avec les autres. (En bas) Un graphique de la magnitude, ou la luminosité, des quatre images de quasar au fil du temps. Crédit :M. Millon et F. Courbin/Ecole polytechnique fédérale de Lausanne
Une lentille du passé
Mais il existe un moyen de mesurer les distances plus directement, basé sur ce qu'on appelle des lentilles gravitationnelles fortes. La gravité courbe l'espace-temps lui-même et avec elle le chemin que la lumière emprunte à travers le cosmos. Un cas particulier est lorsqu'un objet très massif, comme une galaxie, courbe la lumière d'un objet distant de telle sorte que la lumière nous atteigne le long de plusieurs chemins différents, créer efficacement plusieurs images du même objet d'arrière-plan. Un exemple particulièrement beau est lorsque l'objet distant varie dans le temps, par exemple, comme accumulation de trous noirs supermassifs, connu sous le nom de quasars, faire. Parce que la lumière parcourt des durées légèrement différentes le long de chaque trajet autour de la galaxie lentille, le résultat est plusieurs images légèrement désynchronisées du même scintillement.
Ce phénomène est plus que joli. Dans les années 60, étudiants de la théorie de la gravité d'Einstein, relativité générale, ont montré qu'ils pouvaient utiliser de puissantes lentilles gravitationnelles et la lumière qu'ils pliaient pour mesurer plus directement les distances cosmiques - s'ils pouvaient mesurer le timing relatif le long de chaque chemin avec suffisamment de précision et s'ils savaient comment la matière dans la galaxie lentille était distribuée.
Au cours de la dernière décennie, Birrer a dit, les mesures sont devenues suffisamment précises pour adopter cette méthode, cosmographie à retardement, de l'idée à la réalité. Des mesures successives et un effort dédié du H0LiCOW, COSMOGRAIL, FOULÉES, et les équipes SHARP, maintenant sous l'organisation faîtière conjointe TDCOSMO, a abouti à une mesure précise de la constante de Hubble à environ 73 kilomètres par seconde par mégaparsec avec une précision de 2 %. C'est en accord avec les estimations faites avec la méthode de l'échelle de distance locale, mais en tension avec les mesures du fond diffus cosmologique sous les hypothèses du modèle cosmologique standard.
Hypothèses de distribution de masse de la galaxie
Mais quelque chose n'allait pas avec Birrer :les modèles de structure des galaxies sur lesquels les études précédentes se sont appuyées n'étaient peut-être pas assez précis pour conclure que la constante de Hubble était différente des estimations basées sur le fond diffus cosmologique. « Je suis allé voir mes collègues et je leur ai dit :« Je veux mener une étude qui ne repose pas sur ces hypothèses, '", a déclaré Birrer.
A leur place, Birrer a proposé d'étudier une gamme de lentilles gravitationnelles supplémentaires pour faire une estimation plus fondée sur l'observation de la masse et de la structure des galaxies lentilles pour remplacer les hypothèses précédentes. La nouvelle avenue Birrer et l'équipe, TDCOSMO, entreprise était délibérément tenue à l'aveugle - ce qui signifie que l'ensemble de l'analyse a été effectuée sans connaître le résultat obtenu sur la constante de Hubble - pour éviter le biais de l'expérimentateur, une procédure déjà établie dans les analyses précédentes de l'équipe et partie intégrante pour aller de l'avant, dit Birrer.
Sur la base de cette nouvelle analyse avec beaucoup moins d'hypothèses appliquées aux sept galaxies lentilles avec des retards temporels que l'équipe a analysés dans des études précédentes, l'équipe est arrivée à une valeur plus élevée de la constante de Hubble, environ 74 kilomètres par seconde par mégaparsec, mais avec une plus grande incertitude, suffisamment pour que leur valeur soit cohérente avec les estimations hautes et basses de la constante de Hubble.
Cependant, lorsque Birrer et TDCOSMO ont ajouté 33 lentilles supplémentaires avec des propriétés similaires - mais sans source variable pour travailler directement pour la cosmographie à retardement - utilisées pour estimer la structure galactique, l'estimation constante de Hubble est descendue à environ 67 kilomètres par seconde par mégaparsec, avec une incertitude de 5%, en bon accord avec les estimations d'ondes sonores telles que celle du CMB, mais aussi statistiquement cohérent avec les déterminations précédentes, vu les incertitudes.
Ce changement substantiel ne signifie pas que le débat sur la valeur de la constante de Hubble est terminé - loin de là, dit Birrer. Pour une chose, sa méthode introduit une nouvelle incertitude dans l'estimation associée aux 33 lentilles supplémentaires ajoutées à l'analyse, et TDCOSMO auront besoin de plus de données pour confirmer leurs résultats, bien que ces données ne soient peut-être pas très éloignées dans le futur. Birrer : « Bien que notre nouvelle analyse n'invalide pas statistiquement les hypothèses de profil de masse de nos travaux précédents, cela démontre l'importance de comprendre la distribution de masse au sein des galaxies, " il a dit.
"Nous collectons maintenant les données qui nous permettront de regagner la plus grande partie de la précision que nous avions obtenue auparavant sur la base d'hypothèses plus solides. À plus long terme, nous aurons également des images de beaucoup plus de galaxies à lentilles du Rubin Observatory Legacy Survey of Space et du temps sur lequel s'appuyer pour améliorer nos estimations. Notre analyse actuelle n'est que la première étape et ouvre la voie à l'utilisation de ces ensembles de données à venir pour fournir une conclusion définitive sur le problème restant. "
