À l'aide de deux des télescopes spatiaux les plus puissants au monde, Hubble de la NASA et Gaia de l'ESA, les astronomes ont effectué les mesures les plus précises à ce jour du taux d'expansion de l'univers. Ceci est calculé en mesurant les distances entre les galaxies proches en utilisant des types spéciaux d'étoiles appelées variables céphéides comme étalons cosmiques. En comparant leur luminosité intrinsèque mesurée par Hubble, avec leur éclat apparent vu de la Terre, les scientifiques peuvent calculer leurs distances. Gaia affine encore cette mesure en mesurant géométriquement les distances aux variables Céphéides au sein de notre galaxie de la Voie lactée. Cela a permis aux astronomes de calibrer plus précisément les distances aux céphéides observées dans les galaxies extérieures. Crédit :NASA, ESA, et A. Feild (STScI)
Grâce à la puissance et à la synergie de deux télescopes spatiaux, les astronomes ont fait la mesure la plus précise à ce jour du taux d'expansion de l'univers.
Les résultats alimentent davantage le décalage entre les mesures du taux d'expansion de l'univers voisin, et ceux des lointains, l'univers primitif, avant même que les étoiles et les galaxies n'existent.
Cette soi-disant "tension" implique qu'il pourrait y avoir une nouvelle physique sous-jacente aux fondations de l'univers. Les possibilités incluent la force d'interaction de la matière noire, l'énergie noire étant encore plus exotique qu'on ne le pensait auparavant, ou une nouvelle particule inconnue dans la tapisserie de l'espace.
En combinant les observations du télescope spatial Hubble de la NASA et de l'observatoire spatial Gaia de l'Agence spatiale européenne (ESA), les astronomes ont encore affiné la valeur précédente de la constante de Hubble, la vitesse à laquelle l'univers s'étend depuis le big bang il y a 13,8 milliards d'années.
Mais comme les mesures sont devenues plus précises, la détermination par l'équipe de la constante de Hubble est de plus en plus en contradiction avec les mesures d'un autre observatoire spatial, la mission Planck de l'ESA, qui propose une valeur prédite différente pour la constante de Hubble.
Planck a cartographié l'univers primitif tel qu'il n'apparaissait qu'à 360, 000 ans après le big bang. Le ciel entier est imprimé de la signature du big bang codée en micro-ondes. Planck a mesuré la taille des ondulations de ce fond cosmique micro-ondes (CMB) qui ont été produites par de légères irrégularités dans la boule de feu du big bang. Les détails fins de ces ondulations encodent la quantité de matière noire et de matière normale, la trajectoire de l'univers à cette époque, et d'autres paramètres cosmologiques.
Ces mesures, toujours en cours d'évaluation, permettre aux scientifiques de prédire comment l'univers primitif aurait probablement évolué vers le taux d'expansion que nous pouvons mesurer aujourd'hui. Cependant, ces prédictions ne semblent pas correspondre aux nouvelles mesures de notre univers contemporain proche.
"Avec l'ajout de ces nouvelles données des télescopes spatiaux Gaia et Hubble, nous avons maintenant une sérieuse tension avec les données du fond diffus cosmologique, " a déclaré George Efstathiou, membre de l'équipe Planck et analyste principal du Kavli Institute for Cosmology à Cambridge, Angleterre, qui n'était pas impliqué dans le nouveau travail.
"La tension semble s'être transformée en une incompatibilité totale entre nos visions de l'univers ancien et tardif, " a déclaré le chef d'équipe et lauréat du prix Nobel Adam Riess du Space Telescope Science Institute et de l'Université Johns Hopkins à Baltimore, Maryland. "À ce point, il ne s'agit clairement pas simplement d'une erreur grossière dans une mesure donnée. C'est comme si vous aviez prédit la taille d'un enfant à partir d'une courbe de croissance et que vous trouviez ensuite que l'adulte qu'il deviendrait dépassait largement la prédiction. Nous sommes très perplexes."
En 2005, Riess et les membres de l'équipe SHOES (Supernova H0 pour l'équation d'État) ont entrepris de mesurer le taux d'expansion de l'univers avec une précision sans précédent. Dans les années suivantes, en affinant leurs techniques, cette équipe a réduit l'incertitude de la mesure du taux à des niveaux sans précédent. Maintenant, avec le pouvoir de Hubble et Gaia combinés, ils ont réduit cette incertitude à seulement 2,2 pour cent.
Parce que la constante de Hubble est nécessaire pour estimer l'âge de l'univers, la réponse longtemps recherchée est l'un des nombres les plus importants de la cosmologie. Il porte le nom de l'astronome Edwin Hubble, qui, il y a près d'un siècle, a découvert que l'univers s'étendait uniformément dans toutes les directions, une découverte qui a donné naissance à la cosmologie moderne.
Les galaxies semblent s'éloigner de la Terre proportionnellement à leurs distances, ce qui signifie que plus ils sont loin, plus ils semblent s'éloigner rapidement. C'est une conséquence de l'expansion de l'espace, and not a value of true space velocity. By measuring the value of the Hubble constant over time, astronomers can construct a picture of our cosmic evolution, infer the make-up of the universe, and uncover clues concerning its ultimate fate.
The two major methods of measuring this number give incompatible results. One method is direct, building a cosmic "distance ladder" from measurements of stars in our local universe. The other method uses the CMB to measure the trajectory of the universe shortly after the big bang and then uses physics to describe the universe and extrapolate to the present expansion rate. Together, the measurements should provide an end-to-end test of our basic understanding of the so-called "Standard Model" of the universe. Cependant, the pieces don't fit.
Using Hubble and newly released data from Gaia, Riess' team measured the present rate of expansion to be 73.5 kilometers (45.6 miles) per second per megaparsec. This means that for every 3.3 million light-years farther away a galaxy is from us, it appears to be moving 73.5 kilometers per second faster. Cependant, the Planck results predict the universe should be expanding today at only 67.0 kilometers (41.6 miles) per second per megaparsec. As the teams' measurements have become more and more precise, the chasm between them has continued to widen, and is now about four times the size of their combined uncertainty.
Au cours des années, Riess' team has refined the Hubble constant value by streamlining and strengthening the "cosmic distance ladder, " used to measure precise distances to nearby and far-off galaxies. They compared those distances with the expansion of space, measured by the stretching of light from nearby galaxies. Using the apparent outward velocity at each distance, they then calculated the Hubble constant.
To gauge the distances between nearby galaxies, his team used a special type of star as cosmic yardsticks or milepost markers. These pulsating stars, called Cepheid variables, brighten and dim at rates that correspond to their intrinsic brightness. By comparing their intrinsic brightness with their apparent brightness as seen from Earth, scientists can calculate their distances.
Gaia further refined this yardstick by geometrically measuring the distance to 50 Cepheid variables in the Milky Way. These measurements were combined with precise measurements of their brightnesses from Hubble. This allowed the astronomers to more accurately calibrate the Cepheids and then use those seen outside the Milky Way as milepost markers.
"When you use Cepheids, you need both distance and brightness, " explained Riess. Hubble provided the information on brightness, and Gaia provided the parallax information needed to accurately determine the distances. Parallax is the apparent change in an object's position due to a shift in the observer's point of view. Ancient Greeks first used this technique to measure the distance from Earth to the Moon.
"Hubble is really amazing as a general-purpose observatory, but Gaia is the new gold standard for calibrating distance. It is purpose-built for measuring parallax—this is what it was designed to do, " Stefano Casertano of the Space Telescope Science Institute and a member of the SHOES team added. "Gaia brings a new ability to recalibrate all past distance measures, and it seems to confirm our previous work. We get the same answer for the Hubble constant if we replace all previous calibrations of the distance ladder with just the Gaia parallaxes. It's a crosscheck between two very powerful and precise observatories."
The goal of Riess' team is to work with Gaia to cross the threshold of refining the Hubble constant to a value of only one percent by the early 2020s. Pendant ce temps, astrophysicists will likely continue to grapple with revisiting their ideas about the physics of the early universe.
The Riess team's latest results are published in the July 12 issue of the Journal d'astrophysique .
