Les scientifiques ne sont pas d’accord sur la vitesse à laquelle l’univers s’étend, et les nouvelles technologies aggravent la situation

Quelque chose de très étrange se passe dans l'univers. La science de la cosmologie, qui étudie l’univers à grande échelle, est en crise. Au cours du siècle dernier, les scientifiques ont découvert des tonnes de preuves de l’expansion de l’univers au fil du temps. Ils ont observé que plus une galaxie est éloignée de la Terre, plus elle s’éloigne de nous rapidement.

Le problème est que personne ne sait exactement à quelle vitesse cette expansion se produit. Deux manières différentes de mesurer cette valeur, appelée constante de Hubble, produisent deux résultats différents. Les dernières décennies ont vu les meilleures théories et expériences que l’humanité puisse proposer pour expliquer comment cela pourrait se produire.

Habituellement, lorsqu'il y a un écart comme celui-ci, les technologies les plus récentes permettent d'obtenir des données expérimentales plus précises, ce qui aide à résoudre le mystère. Mais dans le cas de cette énigme, appelée tension de Hubble, plus nous en apprenons, plus il est difficile d’expliquer l’écart.

L'échelle de distance cosmologique

Lorsque le télescope spatial Hubble a été lancé en 1990, l’un de ses principaux objectifs était d’étudier l’expansion de l’univers. Le débat sur le rythme de cette expansion faisait rage et les scientifiques étaient désireux de trouver une réponse plus précise – car cette information était cruciale pour comprendre l’âge de l’univers, et à cette époque, cet âge aurait pu être aussi petit que 8 milliards. ans ou jusqu'à 20 milliards d'années.

À la fin des années 2000, les scientifiques avaient mis au point un chiffre en observant les étoiles qui s'éclairaient à un rythme particulier, appelé variables céphéides, et un type particulier de supernova appelé supernovae de type Ia . Ces deux objets ont un niveau de luminosité prévisible, ce qui signifie qu’ils peuvent être utilisés pour mesurer la distance – les céphides pour les galaxies les plus proches et les supernovae de type Ia pour les galaxies les plus éloignées – et sont donc utilisés comme « bougies standard » pour les mesures astronomiques.

Grâce à ces mesures précises de distance, la valeur obtenue par les scientifiques de Hubble pour l'expansion de l'univers était de 72 kilomètres par seconde par mégaparsec. Il s'agit d'une mesure de l'ampleur de l'expansion en fonction du temps et de la distance , car plus les galaxies sont éloignées de nous, plus elles se déplacent rapidement. Un parsec équivaut à 3,26 années-lumière et un mégaparsec équivaut à un million de parsecs. Ainsi, si nous regardons une galaxie située à 3,26 millions d’années-lumière, elle s’éloignera de nous à environ 70 kilomètres par seconde, soit environ 150 000 mph.

Cette mesure représentait un énorme progrès scientifique, mais elle comportait encore une erreur potentielle d’environ 10 %. Des recherches ultérieures ont réussi à réduire cette erreur, en se concentrant sur un chiffre récent de 73,2 km/s/Mpc avec un taux d'erreur inférieur à 2 %, mais elles se heurtaient aux limites physiques du télescope.

Un nouveau télescope dans la boîte à outils

Tandis qu'un groupe d'astronomes était occupé avec les données du télescope spatial Hubble, un autre regardait dans un endroit tout à fait différent, en examinant le fond cosmique des micro-ondes, ou CMB. Il s'agit de l'énergie restante du Big Bang et elle est perçue partout comme un très léger bourdonnement de fond constant. En calculant la constante de Hubble à partir de ces données, les chercheurs ont trouvé un chiffre tout à fait différent : 67 km/s/Mpc. Cette différence peut paraître minime, mais elle est tenace : plus chaque groupe effectuait ses mesures avec précision, plus la fracture semblait ancrée.

Mais lorsque le télescope spatial James Webb a été lancé en 2021, les chercheurs disposaient d’un nouvel outil encore plus précis pour leurs mesures. Un groupe de chercheurs, dont Richard Anderson de l'École polytechnique fédérale de Lausanne, s'est mis au travail pour vérifier les mesures de Hubble à l'aide de cette nouvelle technologie. Peut-être que les mesures du télescope spatial Hubble étaient inexactes en raison des limites du télescope, ce qui pourrait expliquer les différents chiffres, et ce nouvel outil pourrait aider à montrer si tel était le cas.

L'avantage de James Webb sur Hubble dans ce contexte est une plus grande résolution spatiale lorsqu'il examine les céphidés. "Auparavant, lorsque vous aviez une résolution inférieure, vous deviez corriger statistiquement la lumière des sources qui se mélangent", a expliqué Anderson à Digital Trends. Et cette correction statistique a introduit une pointe de doute dans les données de Hubble. Peut-être que le taux d’expansion mesuré par Hubble était inexact, ont avancé certains, parce que les outils statistiques utilisés pour cette correction étaient inexacts.

Cependant, avec la meilleure résolution spatiale des nouvelles données Webb, cette correction statistique est beaucoup plus faible. "Donc, si vous n'avez pas besoin de corriger autant, vous ajoutez moins d'erreurs et votre mesure devient plus précise", a déclaré Anderson. Non seulement les données Webb concordent avec les mesures précédentes de Hubble, mais elles augmentent également la précision de cette mesure.

La preuve est disponible , et c'est clair : les mesures du taux d'expansion faites par Hubble sont correctes. Bien sûr, rien d’aussi complexe ne peut être prouvé sans l’ombre d’un doute, mais les mesures sont aussi précises que nous pouvons les réaliser en pratique.

Un problème délicat

Donc, si les données du télescope Hubble sont correctes, le problème vient peut-être de l’autre mesure. Peut-être que ce sont les données du fond cosmique des micro-ondes qui sont erronées ?

Mais c'est aussi difficile. Parce que, tout comme les chercheurs affinaient les chiffres à partir des données de Hubble, les chercheurs du CMB rendaient leurs propres chiffres de plus en plus précis. La plus grande avancée dans ce domaine a été le lancement de l'observatoire spatial Planck de l'Agence spatiale européenne en 2009. Cette mission a été spécialement conçue pour mesurer le CMB et a acquis les données les plus précises à ce jour sur les petites variations de température à travers le CMB. C'est important car même si le CMB est à une température constante presque partout, il existe de minuscules variations de cette température, de 1 partie sur 100 000.

Aussi petites que soient ces variations de température, elles sont importantes car elles représentent des variations qui étaient présentes lors de la formation de l’univers. En examinant les variations telles qu’elles existent aujourd’hui, les chercheurs peuvent remonter le temps pour comprendre à quoi devait ressembler l’univers à ses débuts.

Lorsque les chercheurs utilisent ces données de Planck pour estimer l'expansion de l'univers, sur la base de notre compréhension de l'univers tel qu'il existait lorsqu'il était jeune, ils se sont concentrés sur un chiffre pour la constante de 67,4 km/s/Mpc avec une erreur de moins que 1%. Il n'y a plus de croisement entre les incertitudes des deux chiffres : ils sont tous deux solides et ne s'accordent pas.

Une histoire d’expansion

Les scientifiques étudient le CMB depuis les années 1960 et, depuis lors, la recherche a progressé jusqu'à atteindre un degré de précision qui rend les spécialistes confiants dans leurs découvertes. Lorsqu'il s'agit de modéliser l'inflation de l'univers à ses débuts, ils sont devenus aussi précis que possible, selon Jamie Bock de Caltech, PI pour la prochaine mission SPHEREx de la NASA visant à étudier le CMB.

"Le fond micro-ondes est très proche d'atteindre les limites cosmologiques de ces mesures", a déclaré Bock. « En d'autres termes, vous ne pouvez pas construire une meilleure expérience. Vous êtes simplement limité quant à la partie de l’univers que vous pouvez voir.

SPHEREx sera une mission spatiale qui ne prendra pas de mesures directes de la constante de Hubble. Mais cela aidera les chercheurs à en apprendre davantage sur l'histoire de l'expansion de l'univers, en étudiant une période du début de l'univers appelée inflation, lorsque l'univers s'est développé rapidement. À cette toute première période, l’univers était beaucoup plus petit, plus chaud et plus dense, ce qui affectait la manière dont il s’étendait. Au cours de sa vie, les principaux facteurs déterminants de l'expansion de l'univers ont changé à mesure que l'univers grandissait, se refroidissait et devenait moins dense. Nous savons qu’aujourd’hui, une forme hypothétique d’énergie appelée énergie sombre est la principale force qui pousse l’univers à s’étendre. Mais à d’autres moments de l’histoire de l’univers, d’autres facteurs, comme la présence de matière noire, ont été plus importants.

"La trajectoire de l'univers est déterminée par le type de matière et d'énergie qui dominent à ce moment-là", a expliqué Bock. L’énergie noire, par exemple, « n’a commencé à dominer l’expansion de l’univers que dans la seconde moitié de l’ère de l’univers. Avant cela, c’était la matière noire qui aurait été le moteur de l’évolution de l’univers. »

Une théorie populaire expliquant la différence entre les deux mesures est que l’énergie noire pourrait en être la cause. Peut-être qu’il y avait plus d’énergie sombre dans l’univers primitif qu’on ne le pense actuellement, ce qui accélérerait son expansion. Nous pourrions en apprendre davantage sur cette possibilité avec de nouvelles missions comme Euclid de l'ESA , lancée récemment et visant à cartographier une grande partie de l'univers en 3D pour étudier la matière noire et l'énergie noire.

Un thermomètre pour notre compréhension de l'univers

Vous pouvez considérer les deux valeurs de la constante de Hubble comme étant mesurées à partir de l'univers tel que nous le voyons aujourd'hui, appelé l'univers tardif, par rapport à la mesure de l'univers tel qu'il était lorsqu'il était jeune, appelé l'univers primitif. Lorsque les deux taux différents étaient calculés à l’aide de méthodes moins précises, il était possible qu’ils soient en fait en accord, mais qu’ils apparaissent simplement plus éloignés en raison d’erreurs qui se chevauchent.

Mais comme les scientifiques ont réduit ces erreurs de plus en plus, cette explication ne peut plus fonctionner. Soit l'une des mesures est erronée – c'est toujours possible, mais de plus en plus improbable compte tenu de la montagne de données sur chacune d'entre elles – soit il y a quelque chose de fondamental dans l'univers que nous ne comprenons pas encore.

"Ce que nous avons ici est comme un thermomètre qui montre à quel point notre compréhension du cosmos est bonne à l'heure actuelle", a déclaré Anderson. "Et je pense que le thermomètre nous dit que nous avons de la fièvre et que nous avons un problème."

Et gardez à l’esprit que la constante de Hubble n’est pas un problème mineur. C'est une mesure fondamentale, sans doute le nombre le plus important en cosmologie. Et plus nos mesures sont précises, plus le mystère s’approfondit.

Recherche d'une vérification indépendante

C'est une autre façon de mesurer l'univers tel que nous le voyons actuellement, en examinant les ondes gravitationnelles. Lorsque des objets suffisamment massifs entrent en collision, comme la fusion de deux trous noirs, les forces énormes créent des ondulations dans l’espace-temps appelées ondes gravitationnelles, qui peuvent être détectées à des milliards d’années-lumière.

Ces ondulations peuvent être détectées sur Terre par des installations spécialisées telles que LIGO (L'Observatoire des ondes gravitationnelles à interféromètre laser) et peuvent être utilisées pour déterminer à quelle distance se trouve une source, ce qui signifie qu'elles peuvent théoriquement également être utilisées pour mesurer le taux d'expansion.

Il s'agit d'une mesure de l'univers tardif, mais elle est également totalement indépendante des céphides et des supernovas utilisés dans d'autres recherches. Cela signifie que si les mesures du taux d’expansion semblent similaires sur la base des données sur les ondes gravitationnelles, nous pourrions être encore plus sûrs que le chiffre le plus élevé est correct – et si ce n’est pas le cas, nous saurions alors mieux où se situe le problème.

L’avantage d’utiliser les ondes gravitationnelles pour ce type de mesure est que la signature est très nette : « la seule chose qui l’affecte, ce sont les masses très lourdes », a déclaré Stefan Ballmer, expert en ondes gravitationnelles de l’Université de Syracuse. Et lorsque les trous noirs fusionnent, leur comportement dynamique est très cohérent, quelle que soit leur taille. Cela en fait des bougies standard idéales pour mesurer les distances – « à peu près aussi bonnes que possible », selon Ballmer.

Mesurer la distance avec les ondes gravitationnelles est donc relativement simple. Le défi lié à l’utilisation de ces mesures pour calculer le taux d’expansion est de trouver la vitesse. Avec les supernovas, il est facile de connaître le redshift (qui vous donne la vitesse) mais difficile de connaître la luminosité absolue (qui vous donne la distance). Alors qu’avec les ondes gravitationnelles, il est facile de connaître la distance mais difficile de connaître la vitesse.

Une façon d'aborder le problème de la vitesse consiste à rechercher des fusions se produisant dans les galaxies proches, puis à utiliser le redshift connu de ces galaxies pour la vitesse de vos ondes gravitationnelles. Cela ne fonctionne que lorsque vous pouvez trouver la source des ondes gravitationnelles et la localiser à proximité.

Mais à l’avenir, une fois que les scientifiques auront observé suffisamment de ces événements d’ondes gravitationnelles, ils seront en mesure de se faire une idée de ce à quoi ressemble l’événement moyen et d’utiliser ces informations pour calculer le taux d’expansion à grande échelle.

La prochaine génération d'installations

Pour cela, cependant, nous aurons besoin de centaines de points de données sur les événements d’ondes gravitationnelles, contre la poignée dont nous disposons actuellement. Il s’agit d’un domaine de recherche très nouveau et notre capacité à détecter les ondes gravitationnelles est encore limitée à un petit nombre d’installations. Actuellement, les incertitudes sur le taux d’expansion mesuré à l’aide des ondes gravitationnelles sont encore plus grandes que celles des deux autres méthodes.

"À l'heure actuelle, notre signal se situe en plein milieu entre les deux autres résultats", a déclaré Ballmer.

Toutefois, cela pourrait changer à l’avenir. Avec la construction de la prochaine génération de détecteurs d’ondes gravitationnelles, prévue dans les prochaines décennies, ces mesures pourraient devenir de plus en plus précises.

L'approfondissement de cette énigme est peut-être une source de frustration, mais cela donne également une impulsion à de nouvelles et meilleures expériences, alors que des scientifiques issus de domaines très divers s'attaquent à l'une des grandes questions concernant l'univers tel que nous le voyons.

"La seule façon de vraiment le savoir est d'améliorer l'expérience", a déclaré Ballmer. "C'est le monde dans lequel nous vivons."