Dans les années 1920, Edwin Hubble a fait la révélation révolutionnaire que l'Univers était dans un état d'expansion. Prévue à l'origine comme une conséquence de la théorie de la relativité générale d'Einstein, cette confirmation a conduit à ce qui allait devenir la constante de Hubble. Au cours des décennies qui ont suivi, et grâce au déploiement de télescopes de nouvelle génération - comme le bien nommé télescope spatial Hubble (HST) - les scientifiques ont été contraints de réviser cette loi.
En bref, au cours des dernières décennies, la capacité de voir plus loin dans l'espace (et plus profondément dans le temps) a permis aux astronomes de faire des mesures plus précises sur la rapidité avec laquelle le premier Univers s'est développé. Et grâce à une nouvelle enquête réalisée à l'aide de Hubble, une équipe internationale d'astronomes a pu effectuer les mesures les plus précises du taux d'expansion de l'Univers à ce jour.
Cette enquête a été menée par l'équipe Supernova H0 pour l'Équation d'État (SH0ES), un groupe international d'astronomes qui cherche à affiner la précision de la constante de Hubble depuis 2005. Le groupe est dirigé par Adam Reiss du Space Telescope Science Institute (STScI) et Johns Hopkins University, et comprend des membres de l'American Museum of Natural History, du Neils Bohr Institute, du National Optical Astronomy Observatory et de nombreuses universités et instituts de recherche prestigieux.
L’étude qui décrit leurs résultats a récemment paru dans The Astrophysical Journal sous le titre «Distances Supernova de type Ia à Redshift> 1,5 de la Le télescope spatial Hubble Programmes du Trésor à cycles multiples: le taux d'expansion précoce ». Dans l'intérêt de leur étude, et conformément à leurs objectifs à long terme, l'équipe a cherché à construire une nouvelle «échelle de distance» plus précise.
Cet outil est la façon dont les astronomes mesurent traditionnellement les distances dans l'Univers, qui consiste à s'appuyer sur des marqueurs de distance comme les variables Céphéides - des étoiles pulsantes dont les distances peuvent être déduites en comparant leur luminosité intrinsèque à leur luminosité apparente. Ces mesures sont ensuite comparées à la façon dont la lumière des galaxies éloignées est décalée vers le rouge pour déterminer la vitesse à laquelle l'espace entre les galaxies se dilate.
De cela, la constante de Hubble est dérivée. Pour construire leur échelle éloignée, Riess et son équipe ont effectué des mesures de parallaxe à l'aide de la caméra grand champ 3 (WFC3) de Hubble de huit étoiles variables Cepheid nouvellement analysées dans la Voie lactée. Ces étoiles sont environ 10 fois plus éloignées que toutes celles étudiées précédemment - entre 6 000 et 12 000 années-lumière de la Terre - et pulsent à des intervalles plus longs.
Pour assurer une précision qui expliquerait les oscillations de ces étoiles, l'équipe a également développé une nouvelle méthode où Hubble mesurerait la position d'une étoile mille fois par minute tous les six mois pendant quatre ans. L'équipe a ensuite comparé la luminosité de ces huit étoiles avec des céphéides plus éloignées pour s'assurer qu'elles pouvaient calculer les distances aux autres galaxies avec plus de précision.
En utilisant la nouvelle technique, Hubble a pu capturer le changement de position de ces étoiles par rapport aux autres, ce qui a énormément simplifié les choses. Comme Riess l'a expliqué dans un communiqué de presse de la NASA:
«Cette méthode permet à plusieurs reprises de mesurer les déplacements extrêmement minimes dus à la parallaxe. Vous mesurez la séparation entre deux étoiles, non seulement au même endroit sur la caméra, mais encore et encore des milliers de fois, ce qui réduit les erreurs de mesure. "
Par rapport aux enquêtes précédentes, l'équipe a pu étendre le nombre d'étoiles analysées jusqu'à des distances jusqu'à 10 fois plus importantes. Cependant, leurs résultats contredisent également ceux obtenus par le satellite Planck de l'Agence spatiale européenne (ESA), qui mesure le fond cosmique des micro-ondes (CMB) - le rayonnement résiduel créé par le Big Bang - depuis son déploiement en 2009.
En cartographiant le CMB, Planck a pu retracer l'expansion du cosmos au début de l'Univers - vers. 378 000 ans après le Big Bang. Le résultat de Planck prévoyait que la valeur constante de Hubble devrait maintenant être de 67 kilomètres par seconde par mégaparsec (3,3 millions d'années-lumière) et ne pourrait pas dépasser 69 kilomètres par seconde par mégaparsec.
Sur la base de leur enquête, l'équipe de Riess a obtenu une valeur de 73 kilomètres par seconde par mégaparsec, soit un écart de 9%. Essentiellement, leurs résultats indiquent que les galaxies se déplacent à une vitesse plus rapide que celle impliquée par les observations de l'Univers primitif. Parce que les données Hubble étaient si précises, les astronomes ne peuvent pas rejeter l'écart entre les deux résultats comme des erreurs dans une seule mesure ou méthode. Comme l'explique Reiss:
«La communauté cherche vraiment à comprendre la signification de cet écart… Les deux résultats ont été testés de plusieurs façons, à l'exception d'une série d'erreurs non liées. il est de plus en plus probable qu'il ne s'agit pas d'un bug mais d'une caractéristique de l'univers. »
Ces derniers résultats suggèrent donc qu'une force inconnue auparavant ou une nouvelle physique pourraient être à l'œuvre dans l'Univers. En termes d'explications, Reiss et son équipe ont offert trois possibilités, qui ont toutes à voir avec les 95% de l'Univers que nous ne pouvons pas voir (c'est-à-dire la matière noire et l'énergie noire). En 2011, Reiss et deux autres scientifiques ont reçu le prix Nobel de physique pour leur découverte en 1998 que l'univers était dans un taux d'expansion accéléré.
En accord avec cela, ils suggèrent que l'énergie noire pourrait séparer les galaxies avec une force croissante. Une autre possibilité est qu'il existe une particule subatomique non découverte qui est similaire à un neutrino, mais interagit avec la matière normale par gravité au lieu des forces subatomiques. Ces «neutrinos stériles» se déplaceraient à une vitesse proche de la vitesse de la lumière et pourraient être collectivement appelés «rayonnement sombre».
Chacune de ces possibilités signifierait que le contenu de l'Univers primitif était différent, obligeant ainsi à repenser nos modèles cosmologiques. À l'heure actuelle, Riess et ses collègues n'ont pas de réponses, mais prévoient de continuer à affiner leurs mesures. Jusqu'à présent, l'équipe SHoES a réduit l'incertitude de la constante de Hubble à 2,3%.
Cela est conforme à l'un des objectifs centraux du télescope spatial Hubble, qui était de contribuer à réduire la valeur d'incertitude dans la constante de Hubble, pour laquelle les estimations variaient autrefois d'un facteur 2.
Ainsi, bien que cet écart ouvre la porte à de nouvelles questions difficiles, il réduit également considérablement notre incertitude lorsqu'il s'agit de mesurer l'Univers. En fin de compte, cela améliorera notre compréhension de la façon dont l'Univers a évolué après sa création dans un cataclysme enflammé il y a 13,8 milliards d'années.
