Comment est-ce qu’on est arrivés ici? Où allons-nous? Et combien de temps cela prendra-t-il? Ces questions sont aussi vieilles que l’humanité elle-même et, si elles ont déjà été posées par d’autres espèces ailleurs dans l’univers, potentiellement beaucoup plus anciennes que cela.
Ce sont aussi quelques-unes des questions fondamentales auxquelles nous essayons de répondre dans l’étude de l’univers, appelée cosmologie. Une énigme cosmologique est la vitesse d’expansion de l’univers, qui est mesurée par un nombre appelé la constante de Hubble. Et il y a pas mal de tension autour de ça.
Dans deux nouveaux articles dirigés par mon collègue Patrick Kelly de l’Université du Minnesota, nous avons utilisé avec succès une nouvelle technique – impliquant la lumière d’une étoile explosive arrivée sur Terre via plusieurs routes sinueuses à travers l’univers en expansion – pour mesurer la constante de Hubble. Les articles sont publiés dans Science et Le Journal Astrophysique.
Et si nos résultats ne résolvent pas tout à fait la tension, ils nous donnent un autre indice et plus de questions à poser.
Les bougies standard et l’univers en expansion
Nous savons depuis les années 1920 que l’univers est en expansion.
Vers 1908, l’astronome américaine Henrietta Leavitt a trouvé un moyen de mesurer la luminosité intrinsèque d’une sorte d’étoile appelée variable céphéide – non pas leur luminosité depuis la Terre, qui dépend de la distance et d’autres facteurs, mais leur luminosité réelle. Les céphéides deviennent plus brillantes et plus sombres dans un cycle régulier, et Leavitt a montré que la luminosité intrinsèque était liée à la durée de ce cycle.
La loi de Leavitt, comme on l’appelle maintenant, permet aux scientifiques d’utiliser les céphéides comme des « bougies standard »: des objets dont la luminosité intrinsèque est connue, et donc dont la distance peut être calculée.
Comment cela marche-t-il? Imaginez qu’il fait nuit et que vous vous tenez dans une longue rue sombre avec seulement quelques lampadaires qui descendent la route. Imaginez maintenant que chaque lampadaire a le même type d’ampoule, avec la même puissance. Vous remarquerez que les lointains apparaissent plus faibles que les proches.
Nous savons que la lumière s’estompe proportionnellement à sa distance, selon ce qu’on appelle la loi du carré inverse de la lumière. Maintenant, si vous pouvez mesurer la luminosité de chaque lumière, et si vous savez déjà quelle devrait être sa luminosité, vous pouvez alors déterminer à quelle distance se trouve chaque pôle lumineux.
En 1929, un autre astronome américain, Edwin Hubble, a pu trouver un certain nombre de ces étoiles céphéides dans d’autres galaxies et mesurer leur distance – et à partir de ces distances et d’autres mesures, il a pu déterminer que l’univers était en expansion.
Différentes méthodes donnent des résultats différents
Cette méthode de bougie standard est puissante, nous permettant de mesurer le vaste univers. Nous sommes toujours à la recherche de bougies différentes qui peuvent être mieux mesurées et vues à des distances beaucoup plus grandes.
Certains efforts récents pour mesurer l’univers plus loin de la Terre, comme le projet SH0ES dont je faisais partie, dirigé par le lauréat du prix Nobel Adam Riess, ont utilisé des céphéides aux côtés d’un type d’étoile explosive appelée supernova de type Ia, qui peut également être utilisée comme un bougie standard.
Il existe également d’autres méthodes pour mesurer la constante de Hubble, comme celle qui utilise le fond cosmique des micro-ondes – une lumière ou un rayonnement relique qui a commencé à voyager à travers l’univers peu après le Big Bang.
Le problème est que ces deux mesures, l’une proche utilisant les supernovae et les céphéides, et l’autre beaucoup plus éloignée utilisant le fond micro-onde, diffèrent de près de 10 %. Les astronomes appellent cette différence la tension de Hubble et recherchent de nouvelles techniques de mesure pour la résoudre.
Une nouvelle méthode : la lentille gravitationnelle
Dans notre nouveau travail, nous avons utilisé avec succès une nouvelle technique pour mesurer ce taux d’expansion de l’univers. Le travail est basé sur une supernova appelée Supernova Refsdal.
En 2014, notre équipe a repéré plusieurs images de la même supernova, la première fois qu’une telle supernova « lentille » était observée. Au lieu que le télescope spatial Hubble voit une supernova, nous en avons vu cinq !
Comment cela peut-il arriver? La lumière de la supernova est sortie dans toutes les directions, mais elle a traversé l’espace déformée par les énormes champs gravitationnels d’un énorme amas de galaxies, qui ont plié une partie du chemin de la lumière de telle sorte qu’elle a fini par arriver sur Terre via plusieurs routes. . Chaque apparition de la supernova nous était parvenue par un chemin différent à travers l’univers.
Imaginez trois trains qui quittent la même gare en même temps. Cependant, l’un va directement à la station suivante, l’autre fait un large trajet à travers les montagnes, et un autre par la côte. Ils partent et arrivent tous aux mêmes gares, mais font des trajets différents et donc s’ils partent en même temps, ils arriveront à des heures différentes.
Ainsi, nos images lentilles montrent la même supernova, qui a explosé à un certain moment, mais chaque image a parcouru un chemin différent. En regardant l’arrivée sur Terre de chaque apparition de la supernova – dont l’une s’est produite en 2015, après que l’étoile qui explosait avait déjà été repérée – nous avons pu mesurer leur temps de trajet, et donc combien l’univers avait grandi pendant que l’image était en transit.
Sommes-nous déjà là?
Cela nous a donné une mesure différente, mais unique, de la croissance de l’univers. Dans les articles, nous constatons que cette mesure est plus proche de la mesure du fond diffus cosmologique, plutôt que de la mesure voisine des céphéides et des supernovas. Cependant, en fonction de son emplacement, il devrait être plus proche de la mesure des céphéides et des supernovas.
Bien que cela ne règle pas du tout le débat, cela nous donne un autre indice à examiner. Il pourrait y avoir un problème avec la valeur de la supernova, ou notre compréhension des amas de galaxies et des modèles à appliquer à la lentille, ou autre chose entièrement.
Comme les enfants à l’arrière de la voiture lors d’un voyage en voiture qui demandent « y sommes-nous déjà », nous ne savons toujours pas.
Cet article est republié de La conversation sous licence Creative Commons. Lis le article original.