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    Les incertitudes dans la mesure de l'expansion cosmique

    Une image de galaxies lointaines vues par les instruments VIMOS et WFI sur le Very Large Telescope de l'ESO. Deux méthodes différentes pour déterminer le taux d'expansion cosmique de l'univers ont atteint des résultats précis mais mutuellement incohérents. Les astronomes avaient espéré qu'une troisième méthode utilisant les ondes gravitationnelles serait plus précise, mais une nouvelle analyse montre que ses incertitudes sont à peu près aussi grandes que dans les autres méthodes. Crédit :ESO/ Mario Nonino, Piero Rosati et l'équipe ESO GOODS

    Quatre-vingt-dix ans après qu'Edwin Hubble ait découvert les mouvements systématiques des galaxies et que George Lemaitre les ait expliqués comme une expansion cosmique à partir d'un point en utilisant les équations de la relativité d'Einstein, la cosmologie observationnelle est aujourd'hui confrontée à un défi. Les valeurs déduites des deux méthodologies principales - les propriétés des galaxies et le rayonnement de fond cosmique micro-ondes (CMBR) - sont en désaccord les unes avec les autres à environ dix pour cent, pourtant chacun est précis au niveau de quelques pour cent. Des erreurs d'observation non corrigées sont possibles, mais les estimations suggèrent qu'elles sont trop petites pour expliquer les différences. Par conséquent, aucune valeur cohérente et précise de l'expansion - la constante de Hubble - n'a été trouvée. Le problème n'est pas tant la valeur elle-même - l'âge de l'univers ne changera pas beaucoup de toute façon - plutôt, c'est qu'il se passe clairement quelque chose d'inexpliqué lié au fait que les données CMBR proviennent d'une époque du temps cosmique très différente de celle des données galactiques. Peut-être qu'une nouvelle physique est nécessaire.

    Une nouvelle méthode passionnante et indépendante de mesure du paramètre d'expansion cosmique utilise les ondes gravitationnelles (GW). L'intensité observée de la GW fournit une mesure de la distance puisque les modèles peuvent déduire la force intrinsèque. Lorsque le GW résulte d'une fusion d'étoiles à neutrons binaires qui a une contrepartie optique détectée, la vitesse de récession cosmique de la galaxie hôte (telle que mesurée à partir de sa lumière) fournit un étalonnage pour le taux d'expansion. Cette nouvelle méthode est appelée la « sirène standard ». Si la précision de la méthode de la sirène standard est meilleure que celle des autres méthodes, il serait en mesure de résoudre l'écart.

    L'astronome de CfA Hsin-Yu Chen a étudié les incertitudes associées à la méthode de la sirène standard et a découvert que deux problèmes compliquent la méthode de la sirène standard et posent des défis majeurs à sa résolution de la tension. Les deux sont liés à la lumière émise et à l'angle de vision de la source. Le premier problème est que la lumière n'est pas émise sphériquement selon les simulations informatiques, et donc l'intensité que nous observons dépend de notre angle de vue; même la couleur dépend de l'angle. L'angle de vue doit en quelque sorte être estimé et inclus dans l'étalonnage, et cela comporte une incertitude. La seconde est que l'événement de fusion est également vu sous un angle particulier qui affecte le résultat; même après avoir observé de nombreuses sources, une analyse statistique de l'échantillon aura encore un biais incertain. Chen conclut que ces deux effets systématiques introduiront un biais dans la valeur de sirène standard de la constante de Hubble, ce qui entraînera une incertitude aussi grande que l'incertitude des autres méthodes.


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