Les étoiles géantes rouges vieillissantes sont au centre d’une nouvelle méthode qui mesure le taux d’expansion actuel de l’Univers.Crédit: NASA / ESA / SPL
Pendant une grande partie de cette décennie, les deux jauges les plus précises du taux d’expansion de l’Univers ont été en désaccord flagrant. Maintenant, une technique indépendante très attendue que les cosmologistes espéraient résoudre l’énigme ajoute à la confusion.,
Dans les résultats dévoilés le 16 juillet et devant paraître dans l’Astrophysical Journal, une équipe dirigée par l’astronome Wendy Freedman de l’Université de Chicago dans l’Illinois présente une technique qui mesure l’expansion à l’aide d’étoiles géantes rouges. Il avait promis de remplacer une méthode que les astronomes utilisent depuis plus d’un siècle — mais pour l’instant, la mesure de la vitesse n’a pas réussi à résoudre le différend car elle se situe à mi-chemin entre les deux valeurs litigieuses.
» L’Univers est en train de jouer avec nous à ce stade, non? »a tweeté un astrophysicien à propos du journal.,
« En ce moment, nous essayons de comprendre comment tout cela s’intègre”, a déclaré Freedman à Nature. Si l’écart de vitesse cosmique n’est pas résolu, certaines des théories de base que les cosmologistes utilisent pour interpréter leurs données — telles que les hypothèses sur la nature de la matière noire — pourraient être fausses. ” La physique fondamentale est en jeu », dit Freedman.,
Compteur de vitesse cosmique
L’astronome américain Edwin Hubble et d’autres ont découvert dans les années 1920 que l’Univers est en expansion en montrant que la plupart des galaxies reculent de la Voie Lactée — et plus elles sont éloignées, plus elles reculent rapidement. Le rapport à peu près constant entre la vitesse et la distance est devenu connu sous le nom de constante de Hubble. Pour chaque mégaparsec supplémentaire (environ 3,26 millions d’années — lumière) de distance, Hubble a constaté que les galaxies reculaient 500 kilomètres par seconde plus rapidement-la constante de Hubble était donc de 500 en unités de kilomètres par seconde par mégaparsec.,
Au fil des décennies, les astronomes ont considérablement revu à la baisse l’estimation à mesure que les techniques de mesure s’amélioraient. Freedman a été le pionnier de l’utilisation du télescope spatial Hubble dans les années 1990 pour (convenablement) mesurer la constante de Hubble, et a calculé une valeur d’environ 72 avec une marge d’erreur d’environ 10%. Une équipe dirigée par le prix Nobel Adam Riess de l’Université Johns Hopkins à Baltimore, Maryland, a effectué les mesures les plus précises jusqu’à présent, et sa dernière valeur est de 74, avec une marge d’erreur de seulement 1.91% 2.
Mais un effort distinct au cours de la dernière décennie a jeté une clé dans les travaux., Les scientifiques de la mission Planck de l’Agence spatiale européenne ont cartographié le rayonnement relique du Big Bang, appelé fond cosmique micro-ondes, et l’ont utilisé pour calculer les propriétés de base de l’Univers. En utilisant des hypothèses théoriques standard sur le cosmos, ils ont calculé la constante de Hubble comme 67.8.
La différence entre 67,8 et 74 peut sembler faible, mais elle est devenue statistiquement significative à mesure que les deux techniques se sont améliorées., Ainsi, les théoriciens ont commencé à se demander si la raison de la divergence réside dans la théorie standard de la cosmologie, appelée ΛCDM, qui suppose la présence de particules invisibles de matière noire ainsi que d’une force répulsive mystérieuse appelée énergie noire. Mais ils ont eu du mal à trouver un ajustement à la théorie qui pourrait résoudre le problème et être toujours compatible avec tout ce qui est connu sur l’Univers. « Il est difficile de regarder ΛCDM et de voir où sont les fils lâches, que si vous les tirez, ils les démêleront”, explique Rocky Kolb, cosmologiste à l’Université de Chicago.,
La technique de Freedman met à jour un élément clé de la méthode de mesure Hubble établie — et produit une valeur de 69,8.
La partie difficile de la mesure de la constante de Hubble est de mesurer de manière fiable les distances des galaxies. La première estimation de Hubble reposait sur la mesure des distances des galaxies voisines en observant des étoiles individuelles et brillantes appelées Céphéides. L’astronome Henrietta Swan Leavitt avait découvert au début du XXe siècle que la luminosité réelle de ces étoiles était prévisible., Ainsi, en mesurant à quel point ils apparaissaient brillants sur des plaques photographiques, elle pouvait calculer à quelle distance se trouvaient les étoiles. Les astronomes appellent de tels panneaux des bougies standard.
Mais les chercheurs ont depuis essayé de trouver de meilleures bougies standard que les céphéides, qui ont tendance à exister dans des régions surpeuplées et remplies de poussière qui peuvent fausser les estimations de leur luminosité., « La seule façon dont nous devons aller au fond des choses est d’avoir des méthodes indépendantes, et jusqu’à présent, nous n’avons eu aucun contrôle sur les Céphéides”, explique Freedman, qui a passé une grande partie de sa carrière à améliorer la précision et la précision des mesures Céphéides. « Elle sait où tous les corps sont enterrés”, dit Kolb.
Freedman et ses collègues ont complètement contourné les Céphéides et ont plutôt utilisé comme bougies standard des géantes rouges — de vieilles étoiles qui se sont gonflées — ainsi que des explosions de supernovae, qui servent de signaux pour des galaxies plus lointaines.,
Calcul des géantes
Les géantes rouges sont plus courantes que les céphéides et sont faciles à repérer dans les régions périphériques des galaxies, où les étoiles sont bien séparées les unes des autres et où la poussière n’est pas un problème. Leur luminosité varie considérablement-mais, prise dans son ensemble, la population de géantes rouges d’une galaxie a une caractéristique pratique. La luminosité des étoiles augmente sur des millions d’années jusqu’à ce qu’elle atteigne un maximum, puis elle diminue soudainement. Lorsque les astronomes tracent un grand groupe d’étoiles par couleur et luminosité, les géantes rouges ressemblent à un nuage de points avec un bord tranchant., Les étoiles à ce bord peuvent alors servir de bougies standard.
L’équipe de Freedman a utilisé la technique pour calculer les distances à 18 galaxies, et a obtenu une estimation de la constante de Hubble qui, pour la première fois, a une précision comparable à celle des études basées sur les Céphéides.
Riess dit que l’étude de la géante rouge repose toujours sur des hypothèses sur la quantité de poussière dans les galaxies-en particulier dans le Grand Nuage de Magellan, que l’étude a utilisé comme point d’ancrage., « La poussière est très difficile à estimer, et je suis sûr qu’il y aura beaucoup de discussions” sur les raisons pour lesquelles l’approche des auteurs conduit à une estimation inférieure de la constante de Hubble, dit-il.
Le résultat est statistiquement compatible avec la prédiction de Planck et avec le calcul Céphéide de Riess — ce qui signifie que les barres d’erreur des calculs se chevauchent — et la précision de la technique s’améliorera à mesure que les données sur les géantes rouges s’accumuleront. Ils pourraient battre les Céphéides dans un proche avenir, dit Kolb.
L’aiguille pourrait basculer vers l’une des autres valeurs., Ou il pourrait rester en place, et les autres techniques pourraient éventuellement converger vers elle. Pour l’instant, les cosmologistes ont de quoi s’interroger.