Au terme d'un marathon de près de 30 ans, le télescope spatial Hubble de la NASA a calibré plus de 40 "marqueurs de borne kilométrique" d'espace et de temps pour aider les scientifiques à mesurer avec précision le taux d'expansion de l'univers - une quête avec un rebondissement.

La poursuite du taux d'expansion de l'univers a commencé dans les années 1920 avec les mesures des astronomes Edwin P. Hubble et Georges Lemaître. En 1998, cela a conduit à la découverte de "l'énergie noire", une mystérieuse force répulsive accélérant l'expansion de l'univers. Ces dernières années, grâce aux données de Hubble et d'autres télescopes, les astronomes ont trouvé une autre tournure :un écart entre le taux d'expansion tel que mesuré dans l'univers local par rapport aux observations indépendantes juste après le big bang, qui prédisent une valeur d'expansion différente.

La cause de cet écart reste un mystère. Mais les données de Hubble, englobant une variété d'objets cosmiques qui servent de marqueurs de distance, soutiennent l'idée que quelque chose de bizarre se passe, impliquant peut-être une toute nouvelle physique.

"Vous obtenez la mesure la plus précise du taux d'expansion de l'univers à partir de l'étalon-or des télescopes et des marqueurs de milles cosmiques", a déclaré le lauréat du prix Nobel Adam Riess du Space Telescope Science Institute (STScI) et de l'Université Johns Hopkins à Baltimore, Maryland. .

Riess dirige une collaboration scientifique qui étudie le taux d'expansion de l'univers appelée SHOES, qui signifie Supernova, H0, pour l'équation d'état de l'énergie sombre. "C'est ce pour quoi le télescope spatial Hubble a été construit, en utilisant les meilleures techniques que nous connaissons pour le faire. C'est probablement le magnum opus de Hubble, car il faudrait encore 30 ans de la vie de Hubble pour même doubler cette taille d'échantillon", a déclaré Riess. .

L'article de l'équipe de Riess, à paraître dans le numéro Special Focus de The Astrophysical Journal rapporte l'achèvement de la plus grande et probablement la dernière mise à jour majeure sur la constante de Hubble. Les nouveaux résultats font plus que doubler l'échantillon précédent de marqueurs de distance cosmique. Son équipe a également réanalysé toutes les données antérieures, l'ensemble de données comprenant désormais plus de 1 000 orbites Hubble.

Lorsque la NASA a conçu un grand télescope spatial dans les années 1970, l'une des principales justifications des dépenses et des efforts techniques extraordinaires était de pouvoir résoudre les céphéides, des étoiles qui s'illuminent et s'assombrissent périodiquement, vues à l'intérieur de notre Voie lactée et des galaxies externes. Les céphéides ont longtemps été l'étalon-or des marqueurs de milles cosmiques depuis que leur utilité a été découverte par l'astronome Henrietta Swan Leavitt en 1912. Pour calculer des distances beaucoup plus grandes, les astronomes utilisent des étoiles explosives appelées supernovae de type Ia.

Combinés, ces objets ont construit une "échelle de distance cosmique" à travers l'univers et sont essentiels pour mesurer le taux d'expansion de l'univers, appelé la constante de Hubble après Edwin Hubble. Cette valeur est essentielle pour estimer l'âge de l'univers et fournit un test de base de notre compréhension de l'univers.

Commençant juste après le lancement de Hubble en 1990, la première série d'observations d'étoiles céphéides pour affiner la constante de Hubble a été entreprise par deux équipes :le HST Key Project dirigé par Wendy Freedman, Robert Kennicutt et Jeremy Mould, Marc Aaronson et un autre par Allan Sandage et collaborateurs, qui ont utilisé les céphéides comme marqueurs de jalons pour affiner la mesure de distance aux galaxies proches. Au début des années 2000, les équipes ont déclaré "mission accomplie" en atteignant une précision de 10 % pour la constante de Hubble, 72 plus ou moins 8 kilomètres par seconde par mégaparsec.

En 2005 et à nouveau en 2009, l'ajout de nouvelles caméras puissantes à bord du télescope Hubble a lancé la "Génération 2" de la recherche constante de Hubble alors que les équipes s'efforçaient d'affiner la valeur à une précision d'à peine un pour cent. Celle-ci a été inaugurée par le programme SHOES. Plusieurs équipes d'astronomes utilisant Hubble, dont SHOES, ont convergé vers une valeur constante de Hubble de 73 plus ou moins 1 kilomètre par seconde par mégaparsec. Alors que d'autres approches ont été utilisées pour étudier la question de la constante de Hubble, différentes équipes ont trouvé des valeurs proches du même nombre.

L'équipe SHOES comprend des leaders de longue date, le Dr Wenlong Yuan de l'Université Johns Hopkins, le Dr Lucas Macri de l'Université Texas A&M, le Dr Stefano Casertano de STScI et le Dr Dan Scolnic de l'Université Duke. Le projet a été conçu pour mettre l'univers entre parenthèses en faisant correspondre la précision de la constante de Hubble déduite de l'étude du rayonnement de fond cosmique des micro-ondes restant de l'aube de l'univers.

"The Hubble constant is a very special number. It can be used to thread a needle from the past to the present for an end-to-end test of our understanding of the universe. This took a phenomenal amount of detailed work," said Dr. Licia Verde, a cosmologist at ICREA and the ICC-University of Barcelona, speaking about the SHOES team's work.

The team measured 42 of the supernova milepost markers with Hubble. Because they are seen exploding at a rate of about one per year, Hubble has, for all practical purposes, logged as many supernovae as possible for measuring the universe's expansion. Riess said, "We have a complete sample of all the supernovae accessible to the Hubble telescope seen in the last 40 years." Like the lyrics from the song "Kansas City," from the Broadway musical Oklahoma, Hubble has "gone about as fur as it c'n go!"

Weird Physics?

The expansion rate of the universe was predicted to be slower than what Hubble actually sees. By combining the Standard Cosmological Model of the Universe and measurements by the European Space Agency's Planck mission (which observed the relic cosmic microwave background from 13.8 billion years ago), astronomers predict a lower value for the Hubble constant:67.5 plus or minus 0.5 kilometers per second per megaparsec, compared to the SHOES team's estimate of 73.

Given the large Hubble sample size, there is only a one-in-a-million chance astronomers are wrong due to an unlucky draw, said Riess, a common threshold for taking a problem seriously in physics. This finding is untangling what was becoming a nice and tidy picture of the universe's dynamical evolution. Astronomers are at a loss for an explanation of the disconnect between the expansion rate of the local universe versus the primeval universe, but the answer might involve additional physics of the universe.

Such confounding findings have made life more exciting for cosmologists like Riess. Thirty years ago they started out to measure the Hubble constant to benchmark the universe, but now it has become something even more interesting. "Actually, I don't care what the expansion value is specifically, but I like to use it to learn about the universe," Riess added.

NASA's new Webb Space Telescope will extend on Hubble's work by showing these cosmic milepost markers at greater distances or sharper resolution than what Hubble can see. + Explorer plus loin

Researchers question measurement of the Hubble constant by Nobel laureate Riess' team