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 pour cela que 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 Le Journal Astrophysique 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 des 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 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.
« La constante de Hubble est un nombre très spécial. Elle peut être utilisée pour enfiler une aiguille du passé au présent pour un test de bout en bout de notre compréhension de l’univers. Cela a demandé une quantité phénoménale de travail détaillé », a déclaré Le Dr Licia Verde, cosmologiste à l’ICREA et à l’ICC-Université de Barcelone, parle du travail de l’équipe SHOES.
L’équipe a mesuré 42 des marqueurs de supernova avec Hubble. Parce qu’on les voit exploser à un rythme d’environ une par an, Hubble a, à toutes fins pratiques, enregistré autant de supernovae que possible pour mesurer l’expansion de l’univers. Riess a déclaré: « Nous avons un échantillon complet de toutes les supernovae accessibles au télescope Hubble vues au cours des 40 dernières années. » Comme les paroles de la chanson « Kansas City », de la comédie musicale Oklahoma de Broadway, Hubble a « fait le plus de fourrure possible ! »
Physique bizarre ?
On prévoyait que le taux d’expansion de l’univers serait plus lent que ce que Hubble voit réellement. En combinant le modèle cosmologique standard de l’univers et les mesures de la mission Planck de l’Agence spatiale européenne (qui a observé le fond cosmique de micro-ondes relique d’il y a 13,8 milliards d’années), les astronomes prédisent une valeur inférieure pour la constante de Hubble : 67,5 plus ou moins 0,5 kilomètre par seconde par mégaparsec, par rapport à l’estimation de l’équipe SHOES de 73.
Compte tenu de la grande taille de l’échantillon de Hubble, il n’y a qu’une chance sur un million que les astronomes se trompent en raison d’un tirage au sort malchanceux, a déclaré Riess, un seuil commun pour prendre un problème au sérieux en physique. Cette découverte démêle ce qui devenait une image agréable et nette de l’évolution dynamique de l’univers. Les astronomes sont à court d’explications sur la déconnexion entre le taux d’expansion de l’univers local et celui de l’univers primitif, mais la réponse pourrait impliquer une physique supplémentaire de l’univers.
De telles découvertes déconcertantes ont rendu la vie plus excitante pour des cosmologistes comme Riess. Il y a trente ans, ils ont commencé à mesurer la constante de Hubble pour comparer l’univers, mais maintenant c’est devenu quelque chose d’encore plus intéressant. « En fait, je me fiche de la valeur spécifique de l’expansion, mais j’aime l’utiliser pour en savoir plus sur l’univers », a ajouté Riess.
Le nouveau télescope spatial Webb de la NASA étendra le travail de Hubble en montrant ces marqueurs cosmiques à des distances plus grandes ou à une résolution plus nette que ce que Hubble peut voir.