Quel est ce mystère autour de la taille réelle de notre Univers?

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Quel est ce mystère autour de la taille réelle de notre Univers?
Quel est ce mystère autour de la taille réelle de notre Univers?

Africa-PressDjibouti. Commençons par dire que l’Univers est grand. Lorsque nous regardons dans n’importe quelle direction, les régions visibles les plus éloignées de l’Univers sont estimées à environ 46 milliards d’années-lumière. Cela représente un diamètre de 540 sextillions (ou 54 suivi de 22 zéros) de kilomètres. Mais il ne s’agit là que de notre meilleure estimation : personne ne connaît la taille réelle de l’Univers.

En effet, nous ne pouvons voir que la distance parcourue par la lumière (ou plus précisément par le rayonnement micro-ondes émis par le Big Bang) depuis la naissance de l’Univers. Depuis que l’Univers a éclaté il y a environ 13,8 milliards d’années, il n’a cessé de s’étendre vers l’extérieur. Mais comme nous ne connaissons pas non plus l’âge précis de l’Univers, il est difficile de déterminer son étendue au-delà des limites de ce que nous pouvons voir.

Une propriété que les astronomes ont essayé d’utiliser pour les aider à le faire est un nombre connu sous le nom de constante de Hubble.

“C’est une mesure de la vitesse d’expansion de l’univers à l’heure actuelle”, explique Wendy Freedman, astrophysicienne à l’université de Chicago, qui a passé sa carrière à la mesurer. “La constante de Hubble définit l’échelle de l’Univers, à la fois sa taille et son âge.”

Il est utile d’imaginer l’Univers comme un ballon que l’on gonfle. Plus les étoiles et les galaxies, comme des points à la surface du ballon, s’éloignent rapidement les unes des autres, plus la distance qui les sépare augmente. De notre point de vue, cela signifie que plus une galaxie est éloignée de nous, plus elle s’éloigne rapidement.

Malheureusement, plus les astronomes mesurent ce nombre, plus il semble défier les prédictions fondées sur notre compréhension de l’Univers. Une méthode de mesure directe nous donne une certaine valeur, tandis qu’une autre mesure, qui repose sur notre compréhension d’autres paramètres de l’Univers, dit autre chose. Soit les mesures sont fausses, soit il y a quelque chose de défectueux dans la façon dont nous pensons que notre Univers fonctionne.

Mais les scientifiques pensent aujourd’hui être proches d’une réponse, en grande partie grâce à de nouvelles expériences et observations visant à découvrir ce qu’est réellement la constante de Hubble.

“En tant que cosmologistes, nous sommes confrontés à un défi technique : comment mesurer cette quantité de manière aussi précise et exacte que possible ? déclare Rachael Beaton, astronome à l’université de Princeton. Pour relever ce défi, dit-elle, il faut non seulement acquérir les données pour la mesurer, mais aussi recouper les mesures de toutes les manières possibles. “De mon point de vue de scientifique, cela ressemble plus à l’assemblage d’un puzzle qu’à l’intérieur d’un mystère à la Agatha Christie”.

La toute première mesure de la constante de Hubble, effectuée en 1929 par l’astronome dont elle porte le nom – Edwin Hubble – l’a chiffrée à 500 km par seconde par mégaparsec (km/s/Mpc), soit 310 miles/s/Mpc. Cette valeur signifie que pour chaque mégaparsec (une unité de distance équivalente à 3,26 millions d’années-lumière) qui s’éloigne de la Terre, les galaxies que vous voyez s’éloignent de nous 500 km/s (310 miles/s) plus vite que celles qui se trouvent un mégaparsec plus près.

Plus d’un siècle après la première estimation du taux d’expansion cosmique par Hubble, ce chiffre a été revu à la baisse à maintes reprises. Les estimations actuelles le situent entre 67 et 74 km/s/Mpc (42-46 miles/s/Mpc).

Le problème vient en partie du fait que la constante de Hubble peut être différente selon la façon dont on la mesure.

La plupart des descriptions de la divergence de la constante de Hubble indiquent qu’il existe deux façons de mesurer sa valeur : la première consiste à observer la vitesse à laquelle les galaxies proches s’éloignent de nous, tandis que la seconde utilise le fond diffus cosmologique (CMB), la première lumière qui s’est échappée après le Big Bang.

Nous pouvons encore voir cette lumière aujourd’hui, mais à cause des parties éloignées de l’univers qui s’éloignent de nous, la lumière a été étirée en ondes radio. Ces signaux radio, découverts pour la première fois par hasard dans les années 1960, nous donnent la première idée de ce à quoi ressemblait l’Univers.

Deux forces concurrentes – l’attraction de la gravité et la poussée vers l’extérieur du rayonnement – ont joué un jeu de tiraillement cosmique avec l’univers à ses débuts, ce qui a créé des perturbations qui peuvent encore être observées dans le fond diffus cosmologique sous la forme de minuscules différences de température.

Grâce à ces perturbations, il est possible de mesurer la vitesse d’expansion de l’Univers peu après le Big Bang et d’appliquer cette mesure au modèle standard de la cosmologie pour en déduire le taux d’expansion actuel. Ce modèle standard est l’une des meilleures explications dont nous disposons pour expliquer comment l’Univers a commencé, de quoi il est fait et ce que nous voyons autour de nous aujourd’hui.

Mais il y a un problème. Lorsque les astronomes tentent de mesurer la constante de Hubble en observant comment les galaxies proches s’éloignent de nous, ils obtiennent un chiffre différent.

“Si le modèle [standard] est correct, alors on pourrait imaginer que les deux valeurs – ce que vous mesurez aujourd’hui localement et la valeur que vous déduisez des premières observations – concordent”, explique Freedman. “Et ce n’est pas le cas”.

Lorsque le satellite Planck de l’Agence spatiale européenne (ESA) a mesuré les écarts dans le CMB, d’abord en 2014 puis à nouveau en 2018, la valeur qui ressort pour la constante de Hubble est de 67,4 km (41,9 miles)/s/Mpc. Mais cette valeur est inférieure d’environ 9 % à celle que des astronomes comme Freedman ont mesurée en observant des galaxies proches.

D’autres mesures du CMB effectuées en 2020 à l’aide du télescope cosmologique d’Atacama ont permis d’établir une corrélation avec les données de Planck. “Cela permet d’exclure qu’il y ait eu un problème systématique avec Planck provenant de quelques sources”, a déclaré M. Beaton. Si les mesures du CMB étaient correctes, il ne restait que deux possibilités : soit les techniques utilisant la lumière des galaxies proches étaient erronées, soit le modèle standard de la cosmologie devait être modifié.

La technique utilisée par Freedman et ses collègues tire parti d’un type spécifique d’étoile appelé variable céphéide. Découvertes il y a une centaine d’années par l’astronome Henrietta Leavitt, ces étoiles changent de luminosité, devenant plus faibles ou plus brillantes au fil des jours ou des semaines. Leavitt a découvert que plus l’étoile est brillante, plus elle met de temps à s’éclairer, puis à s’affaiblir et à s’éclairer à nouveau. Désormais, les astronomes peuvent déterminer exactement la luminosité réelle d’une étoile en étudiant ces pulsations de luminosité. En mesurant la luminosité à laquelle elle nous apparaît sur Terre, et en sachant que la lumière diminue en fonction de la distance, on dispose d’un moyen précis de mesurer la distance des étoiles.

Mme Freedman et son équipe ont été les premiers à utiliser les variables céphéides des galaxies voisines de la nôtre pour mesurer la constante de Hubble à l’aide des données du télescope spatial Hubble. En 2001, ils l’ont mesurée à 72 km (45 miles)/s/Mpc.

Depuis lors, la valeur obtenue en étudiant les galaxies locales tourne autour du même point. En utilisant le même type d’étoiles, une autre équipe a utilisé le télescope spatial Hubble en 2019 pour arriver à un chiffre de 74 km (46 miles)/s/Mpc. Puis quelques mois plus tard, un autre groupe d’astrophysiciens a utilisé une technique différente impliquant la lumière provenant des quasars pour obtenir une valeur de 73km (45 miles)/s/Mpc.

Si ces mesures sont correctes, elles suggèrent que l’Univers pourrait se gonfler plus rapidement que ne le permettent les théories du modèle standard de la cosmologie. Cela pourrait signifier que ce modèle – et avec lui notre meilleure tentative de décrire la nature fondamentale de l’Univers – doit être mis à jour. Pour l’instant, la réponse n’est pas certaine, mais si c’est le cas, les implications pourraient être profondes.

“Cela pourrait nous dire qu’il manque quelque chose à ce que nous pensons être notre modèle standard”, déclare Freedman. “Nous ne savons pas encore pourquoi cela se produit, mais c’est l’occasion de faire une découverte.”

Si le modèle standard est erroné, cela pourrait signifier que nos modèles de la composition de l’Univers, les quantités relatives de matière baryonique ou “normale”, de matière noire, d’énergie noire et de rayonnement, ne sont pas tout à fait corrects. Et si l’Univers se développe vraiment plus rapidement que nous le pensions, il pourrait être beaucoup plus jeune que les 13,8 milliards d’années actuellement admises.

Une autre explication de cet écart serait que la partie de l’Univers dans laquelle nous vivons est en quelque sorte différente ou spéciale par rapport au reste de l’Univers, et que cette différence fausse les mesures. “C’est loin d’être une analogie parfaite, mais vous pouvez penser à la façon dont la vitesse ou l’accélération de votre voiture est modifiée si vous montez ou descendez une colline, même si vous appliquez la même pression sur l’accélérateur”, dit Beaton. “Je pense qu’il est peu probable que ce soit la cause ultime de la divergence de la constante de Hubble que nous constatons, mais je pense aussi qu’il est important de ne pas négliger le travail effectué pour obtenir ces résultats.”

Mais les astronomes pensent qu’ils sont sur le point de déterminer avec précision ce qu’est la constante de Hubble et laquelle des mesures est correcte.

“Ce qui est passionnant, c’est que je pense que nous allons vraiment résoudre ce problème dans un délai assez court, que ce soit dans un an, deux ou trois ans”, déclare Freedman. “Il y a tellement de choses qui se profilent à l’horizon et qui vont améliorer la précision avec laquelle nous pouvons effectuer ces mesures que je pense que nous arriverons à résoudre ce problème.”

L’un d’entre eux est l’observatoire spatial Gaia de l’ESA, lancé en 2013, qui a mesuré la position d’environ un milliard d’étoiles avec une grande précision. Les scientifiques s’en servent pour calculer les distances entre les étoiles grâce à une technique appelée parallaxe. Lorsque Gaia tourne autour du Soleil, son point d’observation dans l’espace change, un peu comme si vous fermiez un œil et regardiez un objet, puis que vous le regardiez avec l’autre œil, il apparaît à un endroit légèrement différent. Ainsi, en étudiant des objets à différentes périodes de l’année pendant son orbite, Gaia permettra aux scientifiques de déterminer avec précision la vitesse à laquelle les étoiles s’éloignent de notre propre système solaire.

Une autre installation qui aidera à répondre à la question de la valeur de la constante de Hubble est le télescope spatial James Webb, dont le lancement est prévu fin 2021. En étudiant les longueurs d’onde infrarouges, il permettra de meilleures mesures qui ne seront pas obscurcies par la poussière qui se trouve entre nous et les étoiles.

Cependant, s’ils découvrent que la différence de la constante de Hubble persiste, il sera alors temps d’adopter une nouvelle physique. Et bien que de nombreuses théories aient été proposées pour expliquer cette différence, aucune ne correspond tout à fait à ce que nous voyons autour de nous. Chaque théorie potentielle présente un inconvénient. Par exemple, il se pourrait qu’il y ait eu un autre type de rayonnement dans l’univers primitif, mais nous avons mesuré le CMB avec une telle précision que cela semble peu probable. Une autre possibilité est que l’énergie sombre puisse changer avec le temps.

“Cela semblait être une piste prometteuse, mais il y a maintenant d’autres contraintes sur la façon dont l’énergie noire pourrait changer en fonction du temps”, déclare Freedman. “Il faudrait le faire d’une manière vraiment artificielle et cela ne semble pas très prometteur.” Une autre possibilité serait que l’énergie sombre présente dans l’univers primitif ait simplement disparu, mais il n’y a pas de raison évidente pour laquelle elle le ferait.

Cela a obligé les scientifiques à rêver de nouvelles idées qui pourraient expliquer ce qui se passe. “Les gens y travaillent très dur et c’est passionnant”, ajoute Freedman. “Ce n’est pas parce que personne n’a encore réalisé ce qu’est [l’explication] qu’il n’y aura pas une bonne idée qui émergera.”

En fonction de ce que ces nouveaux télescopes révéleront, Beaton et Freedman pourraient bien se retrouver au milieu d’un mystère digne d’un roman d’Agatha Christie après tout.

* Abigail Beall est une journaliste scientifique indépendante et l’auteur de The Art of Urban Astronomy.

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