Le mystère de la véritable étendue de notre Univers

Le cosmos s’étend depuis le Big Bang, mais à quelle vitesse? La réponse pourrait révéler si tout ce que nous pensions savoir sur la physique est erroné.

Un univers en expansion

Commençons par dire que l’univers est immense. Quand nous regardons dans n’importe quelle direction, les régions les plus éloignées visibles de l’univers sont estimées à environ 46 milliards d’années-lumière. Cela correspond à un diamètre de 540 sextillions (ou 54 suivi de 22 zéros) de milles. Cependant, cela reste une estimation – personne ne sait exactement quelle est la taille réelle de l’univers. La raison en est que nous ne pouvons voir que jusqu’où la lumière (ou plus précisément, le rayonnement micro-onde émis lors du Big Bang) a voyagé depuis la naissance de l’univers.

Depuis que l’univers a fait irruption dans l’existence, il y a environ 13,8 milliards d’années, il s’étend continuellement. Mais comme nous ne connaissons pas non plus l’âge exact de l’univers, il est difficile de déterminer combien il s’étend au-delà des limites de ce que nous pouvons observer. Une propriété que les astronomes ont essayé d’utiliser pour les aider est un nombre appelé la constante de Hubble.

La 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 en taille et en âge. » Il est utile de penser à l’univers comme à un ballon qui se gonfle. Alors que les étoiles et les galaxies, semblables à des points à la surface d’un ballon, s’éloignent les unes des autres de plus en plus rapidement, la distance entre elles augmente également. 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 basées 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 concernant l’univers, indique quelque chose de différent. Soit les mesures sont incorrectes, soit il y a quelque chose de défectueux dans notre modèle de fonctionnement de l’univers.

Les discordances des mesures

Les deux manières principales de mesurer la constante de Hubble consistent à examiner la vitesse à laquelle les galaxies proches s’éloignent de nous et à utiliser le fond diffus cosmologique (CMB), la première lumière qui s’est échappée après le Big Bang. Ces signaux radio, découverts par accident dans les années 1960, nous donnent les premiers aperçus possibles de ce à quoi ressemblait l’univers. Deux forces conflictuelles – l’attraction de la gravité et la poussée extérieure du rayonnement – ont joué une sorte de jeu d’équilibre cosmique avec l’univers à ses débuts, créant des perturbations encore visibles dans le CMB comme de petites différences de température. En utilisant ces perturbations, il est possible de mesurer la vitesse d’expansion de l’univers peu de temps après le Big Bang, puis d’appliquer cela au modèle standard de cosmologie pour en déduire le taux d’expansion actuel.

Le modèle standard est l’une des meilleures explications de la naissance de l’univers, de sa composition et de ce que nous voyons autour de nous aujourd’hui. Mais il y a un problème. Lorsque les astronomes essaient de mesurer la constante de Hubble en observant comment les galaxies proches s’éloignent de nous, ils obtiennent une valeur différente.

Des valeurs divergentes

Si le modèle standard est correct, on pourrait s’attendre à ce que les deux valeurs – celle mesurée aujourd’hui localement et celle déduite des observations antérieures – concordent, » dit Freedman. « Et ce n’est pas le cas. » Lorsque le satellite Planck de l’Agence spatiale européenne (ESA) a mesuré les différences dans le CMB en 2014 puis en 2018, la valeur obtenue pour la constante de Hubble était de 67,4 km/s/Mpc. Mais cela est environ 9 % inférieur à la valeur mesurée par les astronomes comme Freedman lorsqu’ils observent des galaxies proches.

Les mesures supplémentaires du CMB en 2020 utilisant le télescope cosmologique d’Atacama corroborent les données de Planck. « Cela aide à écarter l’hypothèse d’un problème systématique avec Planck, » dit Beaton. Si les mesures du CMB sont correctes, il reste deux possibilités: soit les techniques utilisant la lumière des galaxies proches sont erronées, soit le modèle standard de la cosmologie doit être modifié.

Les variables Cépéides

La technique utilisée par Freedman et ses collègues tire parti d’un type spécifique d’étoile appelé variable Céphéide. Découvertes il y a environ 100 ans par l’astronome Henrietta Leavitt, ces étoiles changent de luminosité en pulsant plus faiblement et plus brillamment sur des jours ou des semaines. Leavitt a découvert que plus l’étoile est brillante, plus il faut de temps pour qu’elle s’éclaire, puis s’assombrisse, puis s’éclaire à nouveau. Maintenant, les astronomes peuvent déterminer exactement à quel point une étoile est lumineuse en étudiant ces impulsions de luminosité. En mesurant la brillance apparente depuis la Terre, et en sachant que la lumière diminue en fonction de la distance, cela offre une méthode précise pour mesurer la distance des étoiles.

Freedman et son équipe ont été les premiers à utiliser les variables Céphéides dans les galaxies voisines de la nôtre pour mesurer la constante de Hubble en utilisant les données du télescope spatial Hubble. En 2001, elles ont mesuré cette constante à 72 km/s/Mpc. Depuis lors, la valeur obtenue en étudiant les galaxies locales est restée autour du même point. En utilisant le même type d’étoiles, une autre équipe a utilisé le télescope spatial Hubble en 2019 pour obtenir une valeur de 74 km/s/Mpc. Quelques mois plus tard, un autre groupe d’astrophysiciens a utilisé une technique différente impliquant la lumière des quasars pour obtenir une valeur de 73 km/s/Mpc.

Les implications et la quête de réponses

Si ces mesures sont correctes, cela suggère que l’univers pourrait se dilater plus rapidement que ne le permettent les théories du modèle standard de 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. À l’heure actuelle, la réponse n’est pas certaine, mais si cela se confirme, les implications pourraient être profondes.

Si le modèle standard est incorrect, 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 exacts. Et si l’univers s’étend vraiment plus vite que nous le pensions, cela pourrait également signifier qu’il est beaucoup plus jeune que les 13,8 milliards d’années actuellement acceptées.

Une autre explication possible de la divergence est que la partie de l’univers dans laquelle nous vivons est d’une certaine manière différente ou spéciale par rapport au reste de l’univers, et que cette différence déforme 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 la pédale d’accélérateur, » dit Beaton.

Mais les astronomes pensent qu’ils se rapprochent de la détermination de la constante de Hubble et de la mesure correcte. « Ce qui est excitant, c’est que je pense que nous allons résoudre ce problème dans un délai relativement court, que ce soit dans un an ou deux ou trois, » dit Freedman. « Il y a tellement de choses qui arrivent à l’horizon qui amélioreront la précision avec laquelle nous pouvons faire ces mesures que je pense que nous allons arriver au bout de cette question. »

Des outils pour y parvenir

L’un de ces outils est l’observatoire spatial Gaia de l’ESA, qui a été lancé en 2013 et mesure les positions d’environ un milliard d’étoiles avec un haut degré de précision. Les scientifiques utilisent cela pour déterminer les distances des étoiles avec une technique appelée parallaxe. En orbitant autour du Soleil, le point de vue de Gaia dans l’espace change, un peu comme si vous fermez un œil et regardez un objet, puis regardez avec l’autre œil: il apparaît dans une position légèrement différente. En étudiant les objets à différents moments 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.

Un autre outil qui aidera à répondre à la question de la valeur de la constante de Hubble est le télescope spatial James Webb, qui doit être lancé à la fin de 2021. En étudiant les longueurs d’onde infrarouges, il permettra de meilleures mesures qui ne seront pas obstruées par la poussière entre nous et les étoiles.

Si la différence dans la constante de Hubble persiste, cependant, il faudra un nouveau cadre de la physique pour expliquer ces observations. Et bien que de nombreuses théories aient été proposées pour expliquer la différence, aucune ne correspond tout à fait à ce que nous observons. Chaque théorie potentielle présente des inconvénients. Par exemple, il pourrait y avoir une autre forme de rayonnement dans l’univers primitif, mais nous avons mesuré le CMB si précisément que cela ne semble pas probable. Une autre option est que l’énergie noire pourrait changer avec le temps. « Cela semblait être une piste prometteuse à explorer mais maintenant il y a d’autres contraintes sur la quantité d’énergie noire qui pourrait changer en fonction du temps, » dit Freedman.

Une alternative est qu’il y avait de l’énergie noire présente dans l’univers primitif qui a simplement disparu, mais il n’y a pas de raison évidente pour laquelle cela se produirait.

Tout cela a conduit les scientifiques à imaginer de nouvelles idées pour expliquer ce qui se passe. « Les gens travaillent très dur sur ce sujet et c’est excitant, » ajoute Freedman. « Le fait que personne n’ait encore trouvé la solution ne signifie pas 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 trouver au cœur d’un mystère digne d’un roman d’Agatha Christie.

Source: bbc.com