Les astronomes utilisant le télescope spatial Hubble de la NASA disent avoir franchi un seuil important en révélant un écart entre les deux techniques clés pour mesurer le taux d'expansion de l'univers. L'étude récente renforce l'hypothèse selon laquelle de nouvelles théories pourraient être nécessaires pour expliquer les forces qui ont façonné le cosmos.

Un bref récapitulatif :l'univers s'agrandit à chaque seconde. L'espace entre les galaxies s'étend, comme la pâte qui monte au four. Mais à quelle vitesse l'univers s'étend-il ? Alors que Hubble et d'autres télescopes tentent de répondre à cette question, ils se sont heurtés à une différence intrigante entre ce que les scientifiques prédisent et ce qu'ils observent.

Les mesures de Hubble suggèrent un taux d'expansion plus rapide que prévu dans l'univers moderne, basé sur la façon dont l'univers est apparu il y a plus de 13 milliards d'années. Ces mesures de l'univers primitif proviennent du satellite Planck de l'Agence spatiale européenne. Cet écart a été identifié dans des articles scientifiques au cours des dernières années, mais il n'a pas été clair si les différences dans les techniques de mesure sont à blâmer, ou si la différence pourrait résulter de mesures malchanceuses.

Les dernières données de Hubble réduisent la possibilité que l'écart ne soit qu'un coup de chance à 1 sur 100, 000. Il s'agit d'un gain significatif par rapport à une estimation précédente, il y a moins d'un an, d'une chance de 1 sur 3, 000.

Ces mesures Hubble les plus précises à ce jour renforcent l'idée qu'une nouvelle physique pourrait être nécessaire pour expliquer le décalage.

"La tension de Hubble entre le début et la fin de l'univers est peut-être le développement le plus passionnant de la cosmologie depuis des décennies, " a déclaré le chercheur principal et lauréat du prix Nobel Adam Riess du Space Telescope Science Institute (STScI) et de l'Université Johns Hopkins, à Baltimore, Maryland. "Cette inadéquation s'est accrue et a maintenant atteint un point qu'il est vraiment impossible de considérer comme un coup de chance. Cette disparité ne pourrait pas se produire de manière plausible par hasard."

Serrer les boulons sur "l'échelle de distance cosmique"

Les scientifiques utilisent une « échelle de distance cosmique » pour déterminer à quelle distance se trouvent les choses dans l'univers. Cette méthode dépend de la prise de mesures précises des distances aux galaxies proches, puis du déplacement vers des galaxies de plus en plus éloignées, en utilisant leurs étoiles comme repères kilométriques. Les astronomes utilisent ces valeurs, ainsi que d'autres mesures de la lumière des galaxies qui rougit lorsqu'elle traverse un univers qui s'étend, pour calculer à quelle vitesse le cosmos s'étend avec le temps, une valeur connue sous le nom de constante de Hubble. Riess et son équipe SH0ES (Supernovae H0 pour l'équation d'État) sont en quête depuis 2005 pour affiner ces mesures de distance avec Hubble et affiner la constante de Hubble.

Dans cette nouvelle étude, les astronomes ont utilisé Hubble pour observer 70 étoiles pulsantes appelées variables céphéides dans le Grand Nuage de Magellan. Les observations ont aidé les astronomes à « reconstruire » l'échelle des distances en améliorant la comparaison entre ces Céphéides et leurs cousins ​​plus éloignés dans les hôtes galactiques des supernovas. L'équipe de Riess a réduit l'incertitude de leur valeur constante de Hubble à 1,9% par rapport à une estimation antérieure de 2,2%.

Les mesures de l'équipe étant devenues plus précises, leur calcul de la constante de Hubble est resté en désaccord avec la valeur attendue dérivée des observations de l'expansion de l'univers primitif. Ces mesures ont été faites par Planck, qui cartographie le fond diffus cosmologique, une rémanence relique de 380, 000 ans après le big bang.

Les mesures ont été soigneusement vérifiées, les astronomes ne peuvent donc actuellement pas écarter l'écart entre les deux résultats comme étant dû à une erreur dans une seule mesure ou méthode. Les deux valeurs ont été testées de plusieurs manières.

"Ce ne sont pas seulement deux expériences en désaccord, " expliqua Riess. "Nous mesurons quelque chose de fondamentalement différent. L'un est une mesure de la vitesse à laquelle l'univers s'étend aujourd'hui, comme nous le voyons. L'autre est une prédiction basée sur la physique de l'univers primitif et sur des mesures de la vitesse à laquelle il devrait s'étendre. Si ces valeurs ne concordent pas, il devient très probable que nous manquions quelque chose dans le modèle cosmologique qui relie les deux époques."

Comment la nouvelle étude a été menée

Les astronomes utilisent les variables des céphéides comme étalons cosmiques pour évaluer les distances intergalactiques à proximité depuis plus d'un siècle. Mais essayer de récolter un tas de ces étoiles prenait tellement de temps qu'il en était presque irréalisable. Donc, l'équipe a utilisé une nouvelle méthode astucieuse, appelé DASH (Drift And Shift), en utilisant Hubble comme appareil photo "point-and-shoot" pour prendre des images rapides des étoiles pulsantes extrêmement brillantes, ce qui élimine le besoin fastidieux d'un pointage précis.

"Lorsque Hubble utilise un pointage précis en se verrouillant sur les étoiles guides, il ne peut observer qu'une céphéide par orbite de Hubble de 90 minutes autour de la Terre. Donc, il serait très coûteux pour le télescope d'observer chaque céphéide, " a expliqué Stefano Casertano, membre de l'équipe, également de STScI et Johns Hopkins. "Au lieu, nous avons recherché des groupes de Céphéides suffisamment proches les uns des autres pour pouvoir nous déplacer entre eux sans recalibrer le pointage du télescope. Ces Céphéides sont si brillantes, nous n'avons qu'à les observer pendant deux secondes. Cette technique nous permet d'observer une douzaine de Céphéides sur la durée d'une orbite. Donc, nous restons sur le contrôle du gyroscope et continuons à nous "DASHING" très rapidement."

Les astronomes de Hubble ont ensuite combiné leur résultat avec une autre série d'observations, réalisé par le Projet Araucaria, une collaboration entre des astronomes d'institutions chiliennes, les Etats Unis., et européennes. Ce groupe a effectué des mesures de distance jusqu'au Grand Nuage de Magellan en observant la gradation de la lumière lorsqu'une étoile passe devant son partenaire dans les systèmes d'étoiles binaires à éclipse.

Les mesures combinées ont aidé l'équipe SH0ES à affiner la véritable luminosité des Céphéides. Avec ce résultat plus précis, l'équipe pourrait alors "serrer les boulons" du reste de l'échelle de distance qui s'étend plus profondément dans l'espace.

La nouvelle estimation de la constante de Hubble est de 74 kilomètres (46 miles) par seconde par mégaparsec. Cela signifie que pour chaque 3,3 millions d'années-lumière plus loin, une galaxie est de nous, il semble se déplacer 74 kilomètres (46 miles) par seconde plus vite, suite à l'expansion de l'univers. Le nombre indique que l'univers s'étend à un taux de 9% plus rapide que la prédiction de 67 kilomètres (41,6 miles) par seconde par mégaparsec, qui vient des observations de Planck sur l'univers primitif, couplé avec notre compréhension actuelle de l'univers.

Donc, qu'est ce qui pourrait expliquer cet écart ?

Une explication de l'inadéquation implique une apparition inattendue d'énergie sombre dans le jeune univers, qui comprendrait désormais 70% du contenu de l'univers. Proposé par les astronomes de Johns Hopkins, la théorie est surnommée "l'énergie sombre précoce, " et suggère que l'univers a évolué comme une pièce en trois actes.

Les astronomes ont déjà émis l'hypothèse que l'énergie noire existait pendant les premières secondes après le big bang et a poussé la matière dans l'espace, commencer l'expansion initiale. L'énergie noire peut également être la raison de l'expansion accélérée de l'univers aujourd'hui. La nouvelle théorie suggère qu'il y a eu un troisième épisode d'énergie noire peu de temps après le big bang, qui a élargi l'univers plus rapidement que les astronomes ne l'avaient prédit. L'existence de cette "énergie sombre précoce" pourrait expliquer la tension entre les deux valeurs constantes de Hubble, dit Riess.

Une autre idée est que l'univers contient une nouvelle particule subatomique qui se déplace à une vitesse proche de la lumière. De telles particules rapides sont collectivement appelées "rayonnement sombre" et comprennent des particules précédemment connues comme les neutrinos, qui sont créés dans les réactions nucléaires et les désintégrations radioactives.

Une autre possibilité intéressante est que la matière noire (une forme invisible de matière non composée de protons, neutrons, et les électrons) interagit plus fortement avec la matière ou le rayonnement normal qu'on ne le supposait auparavant.

Mais la véritable explication reste un mystère.

Riess n'a pas de réponse à ce problème épineux, mais son équipe continuera à utiliser Hubble pour réduire les incertitudes de la constante de Hubble. Leur objectif est de réduire l'incertitude à 1%, ce qui devrait aider les astronomes à identifier la cause de l'écart.

Les résultats de l'équipe ont été acceptés pour publication dans The Journal d'astrophysique .