En s’appuyant sur l’effet de lentille gravitationnelle des chercheurs confirment que l’Univers s’étend plus rapidement que prévu

Le débat fait rage dans la communauté scientifique concernant l’expansion de l’Univers, certains estimant qu’il s’étend plus rapidement que prévu quand d’autres estiment le contraire. Mais une nouvelle étude par un groupe d’astronomes se basant sur la mesure de la lumière déformée par la gravité de lointaines galaxies, tend à confirmer les précédentes constatations selon lesquelles notre Univers n’est pas seulement en train de grossir, mais s’étend à un rythme beaucoup plus rapide qu’on ne le pensait auparavant.

Le seul problème, c’est que ces nouveaux calculs ne correspondent pas aux estimations faites par les précédentes observations, ce qui suggère que soit quelque chose ne va pas dans nos mesures, ou que nous examinons maintenant les effets de processus physique au-delà du modèle standard de la cosmologie, dépassant notre entendement.

Nous savons depuis près d’un siècle que l’Univers s’agrandit, depuis que l’astronome belge Georges Lemaître a estimé par l’étirement des ondes lumineuses de galaxies lointaines, que l’espace s’éloignait de nous dans toutes les directions. Pourtant, neuf décennies plus tard, nous ne savons toujours pas exactement ce qui amène l’espace à enfler ainsi. Et il semble que cette expansion s’accélère.

Le travail réalisé par le lauréat du prix Nobel, Brian Schmidt avec Nicholas B. Suntzeff dans les années 1990 a contribué à établir un modèle qui suggère que l’expansion de l’Univers ne ralentit pas, mais s’accélère. Il restait à déterminer depuis, à quelle vitesse. Cette vitesse d’expansion accrue est décrite par la constante de Hubble.

Selon la chercheuse Sherry Suyu de l’Institut Max Planck d’Astrophysique en Allemagne, qui a participé à la recherche :

La constante de Hubble est cruciale pour l’astronomie moderne, car elle peut aider à confirmer ou à réfuter si notre image de l’Univers, composé d’énergie sombre, de matière noire et de matière normale, est réellement correcte, ou si nous avons loupé quelque chose de fondamental.

Mais il y a un problème avec la constante de Hubble, les physiciens ne peuvent pas tout à fait s’accorder sur leurs estimations.

Une étude de 2016 (deuxième illustration ci-dessous), se basant sur des données du télescope spatial Hubble a produit une des plus précises estimations de la constante de Hubble à ce jour.

Cette illustration (clic pour agrandir) présente les trois étapes que des chercheurs ont utilisées en 2016 pour mesurer le taux de l’expansion de l’univers, réduisant l’incertitude de  2,4 %. Le télescope spatial Hubble a été utilisé pour étudier 2400 céphéides et 300 supernovae de type Ia (l’explosion thermonucléaire d’étoiles mourantes), deux types « d’étalons cosmiques » différents qui permettent aux scientifiques de mesurer les distances à travers l’univers. (NASA, ESA, A. Feild (STScI), A. Riess (STScI/JHU))

Malheureusement, elle était en désaccord avec les observations faites par le télescope spatial Planck, qui mesure le fond diffus cosmologique de l’Univers, la “rémanence” de la méga-explosion qui a donné naissance à notre univers.

La carte ci-dessous présente la plus ancienne lumière dans notre univers, comme elle a été détectée avec la plus grande précision par la mission Planck. La lumière antique, appelée le fond diffus cosmologique, a été imprimée sur le ciel quand l’univers avait 370 000 ans. Elle montre les minuscules fluctuations de température qui correspondent aux régions aux densités légèrement différentes, représentant les graines de toute la future structure : les étoiles et les galaxies d’aujourd’hui.

Cela signifiait que notre physique actuelle ne pouvait expliquer comment l’Univers pourrait être aussi rapidement en expansion que le télescope Hubble l’avait indiqué. Sans un moyen de faire correspondre ces chiffres, les physiciens doutent de leur compréhension du fonctionnement de l’Univers.

Pour enfin essayer de comprendre ce qui se passe, Sherry Suyu et ses collègues ont utilisé une technique légèrement différente pour mesurer la constante de Hubble.

Plutôt que de mesurer la lumière directement, un groupe d’astronomes de la collaboration  H0LiCOW (un jeu de mots en anglais qui pourrait donner “vache sacrée” mais qui est en faite/ fait référence aux lentilles H0 dans la source du COSMOGRAIL pour COSmological MOnitoring of GRAvItational Lenses géré par l’École Polytechnique Fédérale de Lausanne) ont utilisé la façon dont la lumière se déforme autour de puits gravitationnel de cinq galaxies éloignées pour mesurer la rapidité avec laquelle elles s’éloignent de nous… Restez avec le Guru, tout devrait s’éclaircir !

Les galaxies ont été choisies pour leurs positions entre nous et des quasars plus éloignés, des régions très lumineuses de l’espace au cœur d’autres galaxies.

Grâce à la façon dont la gravité déforme l’espace comme une boule de bowling métaphorique sur une toile tendue, la lumière des quasars a été courbée dans une courbe autour des galaxies à la dense gravité, dans un phénomène appelé lentille gravitationnelle (Schéma ci-dessous).

Image d’entête : cette image (clic pour agrandir) montre au centre HE0435-1223, l’un des 5 meilleurs quasars découverts à ce jour subissant un effet de lentille gravitationnelle (schéma ci-dessous) par une galaxie en premier plan qui la déforme/ lui donne l’apparence d’en être 5. (Sherry Suyu/ ESA/Hubble/ NASA)

Une grosse planète, une galaxie (ou un objet massif) par leur gravitation peuvent déformer la courbure de la lumière émise par un objet distant (n’hésitez pas à consulter l’Introduction aux mirages gravitationnels du Guru et des exemples de l’utilisation de ses lentilles gravitationnelle ici, ici, ici ou encore ici…)

Étant donné que les galaxies ne sont pas parfaitement rondes, cela a présenté aux astronomes des images multiples de chaque quasar distant.

Chaque image était un instantané de la lumière, qui a emprunté un chemin légèrement différent autour de la galaxie. Alors que la luminosité du quasar se déplaçait, les astronomes pouvaient utiliser les multiples images pour calculer la constante de Hubble… à quelle vitesse les galaxies s’éloignent de nous.

Selon Frédéric Courbin, de l’École Polytechnique Fédérale de Lausanne (Suisse) :

Notre méthode est la plus simple et la plus directe pour mesurer la constante de Hubble car elle n’utilise que la géométrie et la relativité générale, pas d’autres hypothèses.

En utilisant ces nouvelles observations, l’équipe a pu mettre à jour l’estimation de la constante de Hubble à 71,9 ± 2,7 kilomètres par seconde par mégaparsec. Un mégaparsec représente environ 3,3 millions d’années-lumière. Cette estimation est très similaire à l’estimation réalisée l’an dernier à l’aide du télescope Hubble. Et grâce à la précision des nouvelles mesures, l’équipe a pu calculer que ce chiffre était précis à 3,8%.

Mais malgré le degré de confiance de leur estimation, elle ne correspond toujours pas au nombre prédit par le télescope spatial Planck, qui scrute le rayonnement laissé par le Big Bang (…le fond diffus cosmologique).

Ces données suggèrent que le taux d’expansion est plus lent que l’estimation réalisée l’année dernière à l’aide du télescope Planck : la constante de Hubble était de 67,8 ± 0,9 km par seconde par mégaparsec.

Alors maintenant que d’autres résultats ont confirmé cette lacune dans les deux chiffres, que cela signifie-t-il ?

Il pourrait y avoir de multiple cause comme, notamment que les hypothèses/ théories faites lors du calcul de la constante de Hubble par Planck pourraient être fausses. Ou nous pourrions simplement avoir affaire à des fluctuations statistiques, des fluctuations de quantités dérivées de nombreux processus aléatoires identiques. Ou alors, l’écart pourrait être le résultat de processus physique que nous n’avons pas encore découvert.

L’équipe prévoit maintenant de réduire la marge d’erreur en effectuant les mêmes mesures sur 100 quasars, pour voir si leur constante de Hubble reste cohérente.

Ces travaux ont donné 3 documents de recherches qui seront publiés cette semaine dans la revue Monthly Notices of the Royal Astronomical Society et disponibles au format PDF  sur le site SpaceTelescope :

• H0LiCOW I.H0 Lenses in COSMOGRAIL’s Wellspring: Program Overview
• H0LiCOW II. Spectroscopic survey and galaxy-group identi cation of the strong gravitational lens system HE 0435
• H0LiCOW III. Quantifying the e ect of mass along the line of sight to the gravitational lens HE 0435 through weighted galaxy counts

MàJ : et sur le site de la NASA : Cosmic Lenses Support Findings on Accelerated Universe Expansion.