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    Hubble confirme une accélération de l'Univers qui défie la cosmologie

    27 avril 2019 23:00

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    Le prix Nobel de physique Adam Riess, codécouvreur de l'accélération récente de l'expansion du cosmos observable, vient de confirmer un résultat qu'il clame depuis quelques années.

    Il y a un conflit entre la détermination de cette accélération déduite des observations de Hubble et celle déduite du rayonnement fossile étudié avec le satellite Planck. Une nouvelle physique est probablement à l'œuvre qui nécessitera de changer une partie du modèle cosmologique standard.

    De 1998 et 1999, les travaux des équipes menées par les prix Nobel de physique Saul Perlmutter et Adam Riess ont fait exploser une bombe en cosmologie. En étudiant des populations de supernovae SN Ia, les deux chercheurs et leurs collègues ont alors fait la découverte de l'accélération de l'expansion de l'Univers observable depuis quelques milliards d'années alors que le modèle cosmologique standard de l'époque prévoyait une décélération.

     

    Parler d'une découverte d'une accélération et non pas de l'existence de l'énergie noire est d'importance car on peut avoir la première sans la seconde. Admettons tout de même que l'énergie noire se cache bel et bien derrière la fameuse constante cosmologique d'Einstein que l'on a donc réintroduit dans les équations de la cosmologie relativiste. Plusieurs questions se posent alors. Quelle est bien sûr la nature de cette énergie ? Est-elle vraiment constante dans le temps ou peut-elle varier ? Découvrir que la constante cosmologique n'est en fait pas constante serait d'une importance cruciale car il existe des dizaines de propositions théoriques basées, par exemple, sur des théories de supergravité ou de supercordes, qui expliquent la nature de l'énergie noire et impliquent qu'elle varie dans le temps.

     

    Pour tenter de répondre à ces questions, qui peuvent également nous aider à prédire quel sera le futur de l'Univers, Adam Riess effectue depuis des années de nouvelles observations avec le télescope Hubble. Mais au lieu de se concentrer sur l'étude des supernovae de type SN Ia, les astronomes sont retournés étudier un vieux sujet en astronomie, celui des céphéides. Il en a résulté une publication disponible en accès libre sur arXiv dans laquelle les chercheurs enfoncent le clou sur ce que Adam Riess affirme depuis plusieurs années. Il y a un sérieux désaccord entre la valeur de la constante de Hubble que l'on trouve dans la célèbre loi de Hubble-Lemaître telle qu'on l'estime avec des étoiles variables, comme les SN Ia et les céphéides, et celle déduite des observations tout aussi solides du rayonnement fossile par la mission Planck.

    En cosmologie, on parle de l'échelle des distances cosmiques pour désigner un ensemble de méthodes qui prennent appui les unes sur les autres pour déterminer de proche en proche les distances des astres dans le cosmos observable. Tout commence avec des mesures de parallaxe dans le Système solaire, c'est-à-dire des angles que fait une étoile proche sur la voûte céleste à deux périodes de l'année. La géométrie du triangle permet alors de déduire une distance si les angles sont assez grands pour être mesurables. © HubbleESA

    La problématique de l'échelle des distances cosmiques

    Quelques rappels pour comprendre de quoi il en retourne et qui donnent des explications concernant la vidéo, qui illustre ce qui est expliqué.

    Les céphéides sont des étoiles variables particulières qui voient leur luminosité changer au cours du temps avec une période donnée. C'est en 1912, en étudiant les céphéides du Petit Nuage de Magellan, que Henrietta Leavitt découvrit que cette période était corrélée à leur magnitude apparente moyenne. Plus elles sont lumineuses et plus lentement elles varient. On pouvait donc espérer déduire la luminosité intrinsèque d'une céphéide en mesurant sa période. La méthode a été étalonnée grâce aux céphéides proches dont la distance pouvait être évaluée par la méthode de la parallaxe qui permet d'estimer les distances des étoiles les plus proches dans la Voie lactée. Il était dès lors possible de déduire la distance de céphéides plus lointaines directement de leur rythme de variation d'éclat. En effet, plus une étoile est loin, moins elle apparaît lumineuse mais si l'on connaît sa luminosité intrinsèque, on peut estimer sa distance.

    Les céphéides sont ainsi devenues des sortes de chandelles standard permettant d'évaluer la distance séparant la Voie lactée des galaxies, là aussi les plus proches, comme Andromède ou le Grand Nuage de Magellan. Edwin Hubble se servit de la relation de Henrietta Leavitt d'abord pour découvrir l'expansion de l'Univers et ensuite étalonner la loi de Hubble-Lemaître reliant la distance d'une galaxie avec son décalage spectral.

    Pour mesurer des distances encore plus lointaines dans l'Univers lointain, il est possible d'utiliser un autre type d'étoiles qui ne sont pas exactement des chandelles standard mais qui peuvent servir de bons indicateurs de distance. Ce sont les supernovae SN Ia.

    Ces astres résultent de l'explosion de naines blanches dans un système binaire. La luminosité d'une SN Ia ne peut pas s'écarter beaucoup d'une certaine valeur moyenne, et comme elle peut représenter celle de centaines de milliards d'étoiles, on peut les voir de loin. En se servant des céphéides, on peut étalonner une relation donnant la luminosité apparente d'une SN Ia avec sa distance. Connaissant son décalage spectral vers le rouge, on peut alors relier sa distance à ce décalage et, par la loi de Hubble-Lemaître, à la vitesse d'expansion de l'Univers à une date donnée de son histoire (puisque observer loin, c'est observer tôt).

     

    C'est en dressant la courbe reliant le décalage spectral des SN Ia avec leur luminosité apparente que Riess, Perlmutter et leurs collègues ont découvert l'expansion accélérée de l'Univers.

    Malheureusement, l'étalonnage des relations luminosité-distance des céphéides avec la méthode de la parallaxe n'est pas exempt d'erreurs et celui des SN Ia non plus. Ces erreurs s'accumulent donc sur l'échelle des distances et la fameuse constante de Hubble mesurant l'expansion de l'Univers n'était connue, jusqu'à récemment, qu'avec une précision de l'ordre de 10 % en 2001 puis 5 % en 2009. Cela était suffisant pour détecter la présence d'une énergie noire se comportant comme la constante cosmologique d'Einstein. Mais, il est évidemment difficile dans ces conditions de mettre en évidence une éventuelle dérive faible de la valeur de la densité de l'énergie noire dans le passé de l'Univers.

    Une nouvelle physique révélée par les céphéides ?

    Adam Riess et ses collègues ont donc entrepris de lancer il y a quelques années le projet Shoes (Supernova H0 for the Equation of State) afin de mesurer plus précisément les caractéristiques des nombreuses céphéides pour augmenter la précision des mesures en cosmologie. Pour cela, tout dernièrement, ils ont observé avec ce projet environ 70 céphéides regroupées dans des amas stellaires à l'intérieur du Grand Nuage de Magellan. Ces observations ont été combinées avec celles des membres du projet Araucaria, une équipe internationale d'astronomes qui s'est donné comme but de déterminer plus précisément la distance du Grand Nuage de Magellan.

    Le résultat final est triple. Tout d'abord on connaît maintenant la valeur de la constante de Hubble avec une précision de 1,9 % et surtout, la probabilité que la valeur obtenue, soit un effet des fluctuations statistiques (inévitables dans tout échantillonnage d'une population), est passée de 1/3.000 à 1/100.000, un résultat beaucoup plus robuste.

    La valeur trouvée avec Hubble est alors de 74,03 kilomètres par seconde par mégaparsec, or celle déterminée avec le satellite Planck est de 67,4 kilomètres par seconde par mégaparsec. Le conflit semble donc certain puisque les membres de la collaboration Planck ont effectué un travail de détermination tout aussi solide.

    Il semble de plus en plus probable que l'on va devoir faire intervenir de la nouvelle physique pour résoudre cette contradiction. La théorie du Big Bang n'en sera certainement pas invalidée mais notre compréhension de la nature de l'énergie noire et peut-être aussi de la matière noire très probablement.

    Dans le cadre du modèle cosmologique standard, l'énergie noire est une vraie constante cosmologique qui ne varie pas dans le temps. Mais une nouvelle estimation de la vitesse d'expansion de l'univers observable remet cette hypothèse en question. Plus généralement, elle suggère qu'il faudrait modifier le modèle cosmologique à l'aide d'une nouvelle physique.

    Il y a presque un an, Futura-Sciences avait demandé l'avis du cosmologiste français Alain Blanchard au sujet d'une annonce faite par le prix Nobel de physique Adam Riess. En compagnie de ses collègues, il avait obtenu une nouvelle valeur de la mythique constante de Hubble. Pour cela, ils avaient utilisé les fameuses étoiles variables que sont les Céphéides, observées avec le télescope spatial Hubble. Or la valeur mesurée était un peu plus élevée que celle déduite de l'analyse des données collectées par Planck en observant le rayonnement fossile.

    Astrophysiciens et cosmologistes se sont alors brusquement retrouvés confrontés au dilemme suivant, selon Alain Blanchard :  « soit, on croit aux mesures de la constante de Hubble par Riess, et aux mesures de Planck, et alors on a le signe d'une nouvelle physique, soit il y a une des données qui est un peu biaisée... ».

    Le chercheur nous avait ensuite expliqué que, selon lui, cette problématique - nouvelle physique ou biais dans les analyses - allait probablement être très présente en cosmologie au cours des prochaines années.

    Source : futura-sciences.com

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