À quelle vitesse l’univers s’étend-il ? Cela dépend à qui vous demandez. Jetez votre regard sur les étoiles et les galaxies relativement proches qui nous entourent dans l’espace, et vous arriverez à un certain nombre pour cette valeur, connue sous le nom de constante de Hubble. Mais regardez dans l’univers beaucoup plus lointain et vous obtiendrez un nombre légèrement différent. Cet écart, connu sous le nom de tension de Hubble, est faible mais a de lourdes ramifications. La tension pourrait simplement être causée par des défauts dans nos mesures – ou elle pourrait indiquer des lacunes fondamentales dans notre compréhension de la structure cosmique. Certes, même sans aucune tension, il existe de profonds mystères liés au taux d’expansion de l’univers, à savoir le fait qu’il est accéléré par l’énergie noire, une force encore inexpliquée dont nous ne savons presque rien. Maintenant, une nouvelle mesure de la constante de Hubble, réalisée en observant une image miroir d’une étoile lointaine qui explose, ou supernova, complique encore les choses.
Dans une étude publiée aujourd’hui dans la revue Science, Patrick Kelly de l’Université du Minnesota et ses collègues ont utilisé le retard d’une supernova lointaine connue sous le nom de Refsdal pour mesurer la constante de Hubble. Ils sont arrivés à un taux d’expansion de 66,6 kilomètres par seconde par million de parsecs (km/s/Mpc), ou 66,6 km par seconde par 3,26 millions d’années-lumière, avec une incertitude de 1,5 %. (Une étude précédente de la supernova, à partir de 2017, avait atteint un résultat similaire mais avec une incertitude statistique nettement plus grande.)
Ce nombre – 66,6 km/s/Mpc – est étrangement en désaccord avec d’autres mesures basées sur les supernovas dans l’univers dit local. Ceux-ci ont tendance à donner une valeur plus élevée pour la constante de Hubble : environ 73 km/s/Mpc. Pourtant, 66,6 km/s/Mpc est étonnamment similaire aux mesures de la constante de Hubble provenant de sources beaucoup plus éloignées dans l’univers “primitif”, qui fournissent des valeurs d’environ 67 km/s/Mpc. “Nous devrions être d’accord avec la mesure de la supernova, mais nous ne le sommes pas”, dit Kelly. “Et ils ne peuvent pas avoir raison tous les deux.”
La constante de Hubble peut être mesurée de plusieurs façons. Pour l’univers local, la plupart s’appuient sur diverses bougies standard – certains types de supernovae et d’autres objets astrophysiques qui possèdent une luminosité intrinsèque connue, variant à peine, permettant de déterminer plus facilement leurs distances et leurs mouvements par rapport à nous. Les mesures de plusieurs sortes de bougies standard peuvent être reliées pour permettre aux astronomes d’évaluer la constante de Hubble à des distances toujours plus grandes, chaque bougie standard étant un “échelon” sur ce que l’on appelle “l’échelle de distance cosmique”. Mais l’échelle des distances cosmiques commence à basculer et à basculer sur des distances vraiment vastes. Pour mesurer la constante de Hubble qui prévalait dans l’univers primitif, les chercheurs utilisent principalement le fond diffus cosmologique (CMB) – essentiellement la chaleur résiduelle du big bang à l’époque où l’univers n’était guère plus qu’une boule de feu vieille de 400 000 ans. Les ondes sonores ondulant à travers ce feu cosmique ont imprimé des motifs révélateurs sur le CMB que les astronomes peuvent utiliser comme règles standard pour tracer l’expansion ultérieure de l’univers.
En 1964, l’astrophysicien norvégien Sjur Refsdal a d’abord suggéré une autre façon d’utiliser les supernovae pour mesurer la constante de Hubble. Si, sur son chemin vers la Terre, la lumière d’une supernova lointaine passait autour de l’emprise gravitationnelle d’un objet massif, tel qu’un amas de galaxies, la lumière pourrait être “lentille gravitationnelle”, ou déformée et pliée pour suivre plusieurs chemins divergents vers la Terre. , certains plus longs et d’autres plus courts. Le résultat final serait une seule supernova apparaissant plusieurs fois dans des positions légèrement décalées dans le ciel, le délai entre chaque apparition correspondant à la distance totale parcourue par sa lumière. La combinaison de ces retards avec la connaissance de la vitesse à laquelle la supernova s’éloignait de nous – obtenue en mesurant une propriété appelée décalage vers le rouge – et la masse de l’amas de lentille fournirait une valeur de la constante de Hubble.
En novembre 2014, Kelly, alors à l’Université de Californie à Berkeley, et ses collègues ont découvert le premier exemple connu d’un tel événement : la supernova Refsdal, qui s’est produite à quelque 14 milliards d’années-lumière de la Terre. Ils ont correctement prédit l’arrivée d’une image lentille de la supernova, qui a atteint notre planète quelque 360 jours plus tard, fin 2015. L’équipe a enfin réussi à utiliser Refsdal pour mesurer le taux d’expansion de l’univers. « C’est différent de tout ce qui a été fait auparavant », dit Kelly. Pour arriver à une valeur, l’équipe a travaillé en groupes qui ont indépendamment évalué les données en aveugle pour arriver à son chiffre inattendu d’environ 66,6 km/s/Mpc.
Le résultat est “un excellent ajout” à notre connaissance de la constante de Hubble, déclare Wendy Freedman, astronome de l’Université de Chicago, spécialisée dans les études du taux d’expansion de l’univers et n’a pas participé au nouvel article. “C’est complètement indépendant de tout autre type de méthode.”
Les astronomes ont déjà utilisé la lentille pour mesurer l’expansion de l’univers, mais avec des quasars – les noyaux extrêmement brillants de certaines galaxies – plutôt qu’avec des supernovae. En 2017, une équipe appelée H0LiCOW a utilisé cette méthode pour arriver à une valeur d’environ 72 km/s/Mpc. Les quasars à lentilles sont “plus abondants” dans le ciel, ce qui confère à cette méthode certains avantages, explique Sherry Suyu, responsable de H0LiCOW, de l’Institut Max Planck d’astrophysique de Garching, en Allemagne. Mais les supernovae affichent des changements de luminosité plus évidents, ce qui signifie que le délai exact dans les images peut être mesuré plus précisément, donnant peut-être un niveau de précision plus élevé. “Vous voyez vraiment cette variation drastique”, dit Suyu.
Mais alors que les quasars peuvent briller pendant des millions d’années – essentiellement pour toujours pour nous – les supernovae ont une durée de vie courte et ne brillent que pendant des semaines ou des mois. « Vous devez être en mesure de les trouver dès le début », dit Suyu. “Si vous le manquez, ils sont partis.” À ce jour, seules quelques supernovae retardées sont connues. Le plus récent, nommé H0pe, a été trouvé par le télescope spatial James Webb (JWST) plus tôt cette année. Ainsi, si Refsdal est le premier événement de ce type à être utilisé pour mesurer l’expansion de l’univers, ce n’est sans doute pas le dernier.
Si la valeur de Kelly et de son équipe se confirme, cela suggérerait que nous devons peut-être ajuster nos meilleures suppositions sur la nature de la matière noire – la substance énigmatique et invisible qui semble donner aux galaxies et aux amas de galaxies la majeure partie de leur masse et module ainsi la lentille gravitationnelle . Si cela est vrai, dit Kelly, leur résultat “implique qu’il doit y avoir une faille dans nos modèles de matière noire dans les amas de galaxies”. La mise à jour de ces modèles pourrait à son tour exiger des changements dans le soi-disant modèle standard de cosmologie, qui suppose qu’une certaine forme « froide » plutôt inerte de matière noire et un type spécifique d’énergie noire agissent ensemble pour guider la croissance et l’évolution. de galaxies et d’amas à travers le temps cosmique.
“Nous ne comprenons pas encore ce que sont la matière noire et l’énergie noire”, déclare Freedman. “Mesurer la constante de Hubble localement est un moyen de tester directement ce modèle. Si cela montre qu’il manque un élément fondamental de la physique dans le modèle standard, ce sera très excitant.
Cependant, tout le monde n’est pas encore convaincu que de tels changements cosmologiques sont à venir. Daniel Scolnic, de l’Université Duke, affirme que l’incertitude apparemment faible de 1,5 % du résultat est encore suffisamment importante aux marges pour le placer dans les limites des autres résultats locaux. “S’ils ont des incertitudes beaucoup plus petites, alors tout le monde devrait se regarder dans le miroir en ce moment”, déclare Scolnic, qui n’a pas participé à l’étude. “Ce serait vraiment déroutant car toutes les mesures locales semblent s’accorder sur des valeurs plus élevées.”
Pour le savoir avec certitude, il faudra étudier davantage de supernovae retardées dans le temps et déterminer leurs valeurs de la constante de Hubble. De tels résultats pourraient survenir plus tôt que tard : une mesure de H0pe est attendue de JWST dans les mois à venir, et le prochain observatoire Vera Rubin au Chili, qui devrait démarrer l’année prochaine, devrait considérablement augmenter la population de supernovae connues à retardement. « Nous en trouverons beaucoup d’autres », dit Kelly. “S’ils sont tous favorables à une valeur inférieure de la constante de Hubble, cela renforcerait le désaccord. J’espère que nous pourrons comprendre où est le problème.
