Nous savons depuis longtemps que l’univers est en expansion. Le premier article solide démontrant l’expansion cosmique a été publié par Edwin Hubble en 1929, sur la base des observations faites par Vesto Slipher, Milton Humason et Henrietta Leavitt.
Pour cette raison, le taux d’expansion cosmique est connu sous le nom de constante de Hubble, ou paramètre de Hubble, H0. À partir de ce paramètre, vous pouvez calculer des éléments tels que l’âge de l’univers depuis le Big Bang. Connaître la valeur de H0 est donc essentiel à notre compréhension de la cosmologie moderne.
Au début, la valeur mesurée du paramètre Hubble variait considérablement. La valeur initiale de Hubble était de l’ordre de 500 (km/s)/Mpc. Dans les années 1960, la valeur s’est stabilisée entre 50 et 90 (km/s)/Mpc, niveau où elle est restée pendant la majeure partie du 20e siècle. Il était difficile d’être plus précis car nos méthodes de calcul étaient limitées.
Tous ces éléments étaient basés sur l’échelle de distance cosmique, qui utilise une série d’observations pour calculer des distances cosmiques toujours plus grandes, chacune s’appuyant sur la méthode précédente. Mais au cours des dernières décennies, nous sommes devenus plutôt bons dans ce domaine, et la valeur de Hubble a semblé s’établir autour de 70 (km/s)/Mpc. Après cela, les choses ont commencé à devenir… problématiques.
Avec des satellites tels que WMAP et Planck, nous avons commencé à obtenir des cartes haute résolution du fond diffus cosmologique. Grâce aux fluctuations de ce contexte, nous disposons d’une nouvelle façon de mesurer H0 et d’obtenir une valeur de 67 à 68 (km/s)/Mpc. Dans le même temps, les observations de supernovae lointaines et l’échelle de distance cosmique fixent la valeur à 73-75 (km/s)/Mpc.
Les deux méthodes sont assez précises, et pourtant elles sont totalement en désaccord. Ce désaccord est maintenant connu sous le nom de problème de tension de Hubble et constitue le mystère le plus gênant de la cosmologie.
Nous ne savons pas exactement ce qui cause la tension de Hubble. Cela pourrait signifier qu’une ou plusieurs de nos méthodes d’observation sont fondamentalement défectueuses, ou cela pourrait signifier qu’il y a quelque chose à propos de l’énergie noire et de l’expansion cosmique que nous ne comprenons pas vraiment.
Mais les astronomes s’accordent généralement sur le fait qu’une façon de résoudre ce mystère consiste à rechercher des moyens de mesurer H0 qui soient indépendants à la fois du fond cosmique et de l’échelle des distances cosmiques. L’une de ces méthodes implique la lentille gravitationnelle.
La lentille gravitationnelle se produit parce que la gravité déforme l’espace, ce qui signifie que le trajet de la lumière peut être dévié par la présence d’une grande masse. Ainsi, par exemple, si une galaxie lointaine se trouve derrière une galaxie plus proche depuis notre point d’observation, nous voyons une vue déformée par la gravitation de la galaxie lointaine ou même plusieurs images de la galaxie.
La chose intéressante à propos de l’effet d’images multiples est que la lumière de chaque image parcourt un chemin différent autour de la galaxie la plus proche, chacune avec une distance différente. Puisque la vitesse de la lumière est limitée, cela signifie que chaque image nous donne une vue de la galaxie à différents moments de l’histoire.
Cela n’a pas beaucoup d’importance pour les galaxies, mais pour les supernovae, cela signifie que la lentille gravitationnelle peut nous permettre d’observer la même supernova plusieurs fois. En calculant le trajet de chaque image de supernova, nous pouvons déterminer la distance relative de chaque trajet, et en chronométrant l’apparition de chaque image, nous pouvons déterminer la distance réelle. Cela nous donne une mesure indépendante de l’échelle de distance cosmique, nous offrant ainsi une nouvelle façon de mesurer le paramètre Hubble.
Cette méthode a été utilisée à plusieurs reprises, mais les incertitudes de leurs valeurs de Hubble n’étaient pas suffisamment petites pour répondre à la tension de Hubble. Cependant, une nouvelle étude utilisant cette méthode est suffisamment précise. Le travail est publié sur le arXiv serveur de préimpression.
L’étude est basée sur des images JWST d’une supernova de type Ia nommée SN H0pe. Il s’agit de l’une des supernovae les plus lointaines jamais observées, et grâce à l’amas de galaxies G165, moins éloigné, l’équipe a capturé trois images lentilles de SN H0pe. Grâce à leur timing, à la luminosité observée et aux trajectoires calculées, l’équipe a calculé que H0 était compris entre 70 et 83 (km/s)/Mpc. Cette méthode présente toujours une incertitude plus élevée que les autres méthodes, mais elle est en accord avec la méthode habituelle de l’échelle de distance. Cela est également clairement en désaccord avec la méthode du fond diffus cosmologique.
Malgré H0pe, la tension de Hubble est bien réelle. Au contraire, ce nouveau résultat rend le problème encore plus problématique. Il y a quelque chose dans l’expansion cosmique que nous ne comprenons pas, et il est désormais clair que de meilleures observations ne résoudront pas ce mystère à elles seules.
Plus d’informations :
Massimo Pascale et al, SN H0pe : La première mesure de H0 à partir d’une supernova de type Ia à images multiples, découverte par JWST, arXiv (2024). DOI : 10.48550/arxiv.2403.18902