13,35 : la lumière des plus vieilles étoiles d’amas globulaires révèle l’âge de l’Univers

Une nouvelle étude sur des amas globulaires, un groupe d’étoiles en orbite autour d’un noyau, soutient les théories selon lesquelles l’Univers est apparu il y a plus de 13 milliards d’années. Ces amas fusionnent avec d’autres pour former les premières galaxies. C’est pourquoi les astronomes soupçonnent depuis longtemps que les plus vieilles étoiles de l’Univers se trouvent dans des amas globulaires.

Image d’entête : l’amas globulaire M80. (AURA/ STScI/ NASA/ ESA)

L’étude publiée cette semaine (lien plus bas), s’est donc intéressée aux étoiles des amas pour tenter de déterminer l’âge de l’Univers.

L’équipe multinationale dirigée par David Valcin de l’Institut des sciences du cosmos de l’Université de Barcelone (ICCUB), en Espagne, comprenait des membres de la Sorbonne en France, de l’Université Johns Hopkins aux États-Unis, et de l’Institut catalan de recherche et d’études avancées. Des représentants du Centre d’astrophysique numérique de l’Institut Flatiron participent également à l’étude.

Dans l’étude, les chercheurs présentent leur estimation pour 68 amas globulaires galactiques. Ils ont utilisé la distribution des étoiles dans chaque amas à travers un diagramme couleur-magnitude complet. Parmi les critères qu’ils ont utilisés figurent la distance, le rougissement et la métallicité.

Ils ont pu examiner les amas grâce à l’Advanced Camera for Survey (ACS) du télescope spatial Hubble. Les données des étoiles de chaque amas ont été modélisées à l’aide d’une version modifiée des isochrones.

De précédentes recherches sur l’estimation de l’âge de ces amas globulaires ont également été utilisées, leurs mesures déduites étant en accord avec les rapports publiés précédemment sur le sujet. L’équipe de recherche dirigée par l’ICCUB a cependant utilisé le diagramme de magnitude des couleurs pour arriver à l’estimation de l’âge. En comparaison, les estimations précédentes ont été effectuées par le satellite GAIA, qui utilise plutôt des étoiles naines de la séquence principale. L’équipe a également utilisé le modèle stellaire Mesa Isochrones and Stellar Tracks (MIST) et la Dartmouth Stellar Evolution Database (DSED).

Les amas globulaires dans la Voie lactée, d’après les données de l’observatoire Gaia de l’ESA. (ESA/ Gaia/ DPAC)

Après avoir évalué les 68 amas globulaires, ils sont arrivés à une estimation de 13,35 milliards d’années. Le résultat qu’ils ont présenté se situe à un niveau de confiance de 68%, et une fourchette d’incertitude de ±0,16 milliard d’années pour l’incertitude statistique et de ±0,5 milliard d’années pour l’incertitude systématique. D’après les données recueillies, les plus anciens amas globulaires sont ceux dont la métallicité est la plus faible.=

L’étude a utilisé l’âge des plus vieilles étoiles pour établir une base de référence permettant de déterminer l’âge de l’Univers. Le résultat vient étayer les rapports publiés précédemment par la mission Planck sur le fond diffus cosmologique (CMB), c’est-à-dire le rayonnement de fond dans tout l’Univers, qui existerait depuis le Big Bang.

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.

La chronologie du Big Bang de l’Univers. Les neutrinos cosmiques affectent le fond diffus cosmologique au moment où il a été émis, et la physique s’occupe du reste de leur évolution jusqu’à aujourd’hui. (NASA/ JPL-Caltech/ A. Kashlinsky (GSFC))

De plus, l’estimation de Planck sur l’âge de l’univers suit le modèle cosmologique Lambda CDM, Matière noire froide. L’accord entre le vieillissement de l’amas globulaire et l’estimation de Planck réduit tous deux l’âge possible de l’Univers sans s’appuyer entièrement sur des modèles théoriques.

Cependant, les chercheurs reconnaissent la nécessité d’identifier les divergences entre les différentes tentatives de définition de l’âge de l’Univers.

Selon David Valcin de l’ICCUB :

Dans l’incertitude permanente sur l’expansion de l’Univers, il est important de collecter davantage de données dont l’interprétation est aussi cosmologiquement indépendante que possible, afin de comprendre l’origine de la divergence.

Il a ajouté que si les amas globulaires ne permettent pas de déterminer directement le taux d’expansion, ils donnent une idée de l’âge de l’Univers.

L’étude sera publiée dans The Journal of Cosmology and Astroparticle Physics et disponible en prépublication, dans arXiv (PDF) :Inferring the Age of the Universe withGlobular Clusters.