L’expansion de l’univers n’a pas toujours eu la même vitesse
L’univers est en expansion, c’est-à-dire que tous les objets qui ne sont pas retenus par la gravité s’éloignent les uns des autres. La vitesse de l’expansion de l’univers est cependant sujette à débat. C’est l’un des grandes questions de la cosmologie. Dans le modèle communément accepté, la vitesse de l’expansion de l’univers a été variable cours du temps.
Au début de son existence, l’univers aurait subi une phase d’inflation extrême qui lui aurait permis de grandir très rapidement. Il aurait ensuite ralenti son expansion à un rythme plus faible à cause de l’effet gravitationnel de la matière noire. Cette phase aurait duré quelques centaines de milliers d’années. Depuis cette époque, l’expansion de l’univers s’accélérerait à nouveau, cette fois-ci sous l’influence de l’énergie noire.
La constante de Hubble, étalon de mesure de la vitesse de l’expansion de l’univers
Cette histoire est en partie racontée par des mesures de la constante de Hubble, une grandeur qui permet de décrire le taux d’expansion de l’univers à un instant donné. Le problème est qu’en fonction des instruments scientifiques et des méthodes utilisés, les mesures de la constante de Hubble ne s’accordent pas toujours.
Certains astrophysiciens s’appuient sur des observations du fond diffus cosmologique (CMB), le fossile de la première lumière de l’univers émise quand l’univers était âgé de 380 000 ans. Cela leur permet d’estimer que la constante de Hubble est égale à 67 km/s par mégaparsec. Cela signifie qu’une galaxie située à 1 mégaparsec, environ 6,5 millions d’années-lumières, s’éloigne de nous à 67 km/s tandis qu’une galaxie située à 2 mégas parsecs s’éloigne deux fois plus vite.
Une étude montre que l’expansion de l’univers est plus rapide qu’on le pensait
Quand on veut effectuer des mesures sur de vrais galaxies plus ou moins distantes, on obtient une constante de Hubble égale à 74 km/s par mégaparsec, et non 67 km/s. Plus les années passent, plus il est difficile de réconcilier ces deux chiffres. En témoigne une nouvelle étude publiée par une équipe d’astrophysiciens de l’université de Californie. Grâce au télescope Hubble et à l’observatoire Keck, ils ont utilisé une méthode qui utilise des lentilles gravitationnelles.
Ce qui est intéressant, c’est que pour éviter tout biais ils ont mené une étude à l’aveugle, c’est-à-dire qu’ils se sont eux-mêmes caché le résultat jusqu’à être sûr d’avoir éliminé toutes les sources d’erreurs. Comme nous tous, les astronomes peuvent être soumis à des biais cognitifs. Ils peuvent inconsciemment ajuster un ensemble de données pour le faire correspondre à un modèle cosmologique. Mais malgré ces précautions supplémentaires, leur résultat ne permet pas de résoudre le dilemme. Comme toutes les mesures effectuées localement, ils obtiennent une constante de Hubble de 75 km/s par mégaparsec.
Expansion de l’univers, énergie noire : les défis de DESI
L’énergie noire est un des casse-têtes les plus coriaces de la physique moderne. Depuis une vingtaine d’années, une série de mesures semblent montrer que l’expansion de l’univers s’accélère au cours du temps. Comme aucune des quatre forces fondamentales admises par la physique ne permet d’expliquer ce phénomène, pour le moment le responsable de cette accélération est appelé énergie noire.
A défaut de comprendre l’énergie noire, on peut au moins tenter de mesurer ses effets. C’est pour cela que DESI a été créé. Cet instrument scientifique va travailler à partir du télescope Mayall et de son miroir de 4 mètres. DESI observera des dizaines de millions de quasars et de galaxies, ce qui devrait permettre de créer une carte en 3D de l’univers s’étalant jusqu’à 11 milliards d’années-lumière.
Cette carte d’une taille et d’une précision sans précédent devrait permettre de saisir un peu mieux la manière dont les grandes structures de l’univers sont réparties, ont évolué et le rôle qu’y joue l’énergie noire. Ce sera l’occasion de tester des compléments ou des alternatives à la relativité générale. DESI mesurera précisément les distances en s’appuyant sur les traces laissées par ce qu’on appelle les oscillations acoustiques des baryons, c’est-à-dire des empreintes laissées par les ondes acoustiques, le son, dans le plasma de l’univers primordial. C’est la même méthode qu’utilisera l’observatoire spatial européen Euclid depuis le point de Lagrange L2 du système soleil-Terre à partir de 2022.
Les tests de DESI devraient commencer rapidement. Les équipes qui travaillent sur le projet espèrent récupérer des données complètes en 2025, ce qui permettra peut-être d’avoir une meilleure compréhension de ce qu’on appelle l’énergie noire.
L’expansion de l’univers pourrait être mesurée grâce aux quasars
— Actualités du 5 février 2019 —
L’énergie noire est un des mystères les plus importants de l’astronomie moderne. Cela fait maintenant 20 ans que l’on sait que l’expansion de l’univers s’accélère. Notre univers grandit tous les jours et il grandit de plus en plus vite. Si l’univers était entièrement constitué de masse et n’obéissait à grande échelle qu’à la gravité, il ne pourrait que ralentir. Mais c’est l’inverse qu’on semble observer.
Plusieurs explications à ce phénomène pourraient être formulées. Peut-être que nos mesures sont fausses. Elles sont cependant de plus en plus nombreuses à formuler les mêmes conclusions. Peut-être que notre compréhension de la gravité à grande échelle n’est pas encore aboutie. Ou alors on peut imaginer qu’une énergie de nature inconnue pousse l’univers à grandir. C’est peut-être une sorte de constante fondamentale qui fait tout simplement partie des lois de la nature.
Le gros problème quand on essaie de déterminer la vitesse d’expansion de l’univers est qu’on ne sait pas très bien mesurer les distances à grande échelle. On parvient à le faire de manière assez efficace pour des périodes récentes en observant la luminosité de supernovas de type 1A. On peut aussi sonder les tout débuts de l’histoire de l’univers grâce au fond diffus cosmologique qui nous offre une bonne image de ce qu’était l’univers 380 mille ans après le big bang. Mais entre ces deux extrêmes, il est difficile d’évaluer la constante de Hubble, la grandeur qui donne le taux d’expansion de l’univers à un moment donné.
Une équipe italienne pense avoir trouvé un nouveau moyen de déterminer la distance et donc de mesurer la vitesse d’expansion de l’univers. Cela passe par l’observation de la luminosité des quasars, ces noyaux de galaxies extrêmement lumineux et donc observables de très loin. Contrairement aux supernovas de type 1A, tous les quasars n’ont pas la même magnitude absolue. Quand on observe un quasar moins lumineux qu’un autre, on ne sait donc pas si c’est parce qu’il est plus loin ou s’il est à la même distance mais moins énergétique.
Pour surmonter cet obstacle, l’équipe italienne a comparé la lumière de quasars dans deux bandes spectrales différentes, en rayons X et en ultraviolet. En établissant un ratio entre ces deux flux lumineux, on peut trouver des constantes qui permettent de déterminer les distances. Près de 1600 quasars ont été étudiés avec cette méthode, ce qui a permis d’écrire une histoire un peu plus complète de l’expansion de l’univers.
Les premiers résultats de cette étude semblent indiquer que l’énergie noire gagne en intensité avec le temps. Donc non seulement l’expansion de l’univers s’accélère, mais l’élément qui en est la cause serait lui-même en constante évolution. Si ce résultat se confirme, ce qui pourrait prendre des années, alors il faudra reprendre une bonne partie des modèles d’explication de l’énergie noire. L’énergie noire aurait un rôle de plus en plus important dans l’univers, éloignant sans cesse les galaxies et les étoiles. A une échelle de temps suffisamment grande, même les particules qui constituent les atomes seraient éloignées, ce qui signifierait probablement la fin des temps.
L’expansion de l’univers serait de plus en plus rapide
— Actualités du 27 février 2018 —
Le télescope spatial Hubble est opérationnel depuis presque 30 ans et il continue d’apporter des résultats cruciaux. Des observations récentes ont montré que l’accélération de l’expansion de l’univers serait en réalité bien plus rapide que prévu. Le problème vient d’une comparaison entre les données de Hubble et celles de l’observatoire spatial Planck obtenues quelques années plus tôt. Les mesures des deux instruments sont considérées comme très fiables. Ils ont tous les deux cherché à déterminer la constante de Hubble, un paramètre qui décrit le taux d’expansion de l’univers à un instant donné. Les données de Planck situaient cette constante entre 67km et 69 km par seconde par mégaparsec. Planck avait réalisé ces mesures en étudiant le fond diffus cosmologique, c’est-à-dire la toute première lumière de l’univers âgée de 13,8 milliards d’années.
Les nouvelles données obtenues grâce à Hubble estiment la constante de Hubble à 63 km par seconde par mégaparsec. Hubble a observé des céphéides, des étoiles variables beaucoup plus récentes. Entre les deux mesures, il y a 9% de différence. Le problème est qu’on des difficultés à l’expliquer. La probabilité qu’une erreur se soit glissée dans une des deux mesures est incroyablement faible. Ces résultats semblent montrer que l’expansion de l’univers s’est accélérée au cours de son histoire, et même plus rapidement qu’on ne le pensait à l’origine.
Parmi les explications possibles il y a bien sûr l’énergie noire. A défaut d’être bien défini, c’est un paramètre qu’on peut ajouter au modèle standard de la cosmologie pour expliquer ce type d’observation. Autre possibilité, une intéraction entre la matière noire et des matières classiques plus importante que prévu. Enfin de nouveaux modèles continuent d’émerger pour essayer d’apporter une explication à ce phénomène, par exemple les radiations noires, des neutrinos stériles qui ne seraient affectés que par la gravité.
Les premiers indices qui accréditent une accélération de l’expansion de l’univers sont très récents, ils datent de la fin des années 1990 et il va probablement falloir encore des décennies d’observation et de spéculations avant d’arriver à un consensus sur le mécanisme à l’origine de cette accélération. C’est pourquoi on regrette la très probable annulation de WFIRST car l’instrument aurait permis des mesures de la constante de Hubble à différents âges de l’univers. Heureusement, l’Europe n’a pas annulé Euclid, son futur observatoire spatial dédié à la recherche sur l’expansion de l’univers et l’énergie noire. Il devrait entrer en service au début de la prochaine décennie. Il essayera de remonter jusqu’à 10 milliards d’années dans le passé. Les différents modèles d’énergie noire présente des variations infimes, il va donc falloir des mesures de très grande précision pour déterminer quelle piste est la plus intéressante à suivre.
Image by NASA/WMAP Science Team (Original version: NASA; modified by Cherkash) [Public domain], via Wikimedia Commons
Sources
