Les progrès de l'observation astronomique au cours du siècle dernier ont permis aux scientifiques de construire un modèle remarquablement efficace du fonctionnement du cosmos. Cela a du sens – mieux on peut mesurer quelque chose, plus on en apprend. Mais quand il est question de la vitesse d'expansion de notre univers, certaines nouvelles mesures cosmologiques nous rendent de plus en plus confus.
Depuis les années 1920, nous savions que l'univers était en expansion – plus une galaxie est éloignée, plus la plus vite il s'éloigne de nous. En fait, dans les années 1990, on a constaté que le taux d'expansion était en train de s'accélérer . Le taux d’expansion actuel est décrit par ce que l’on appelle « la constante de Hubble » – un paramètre cosmologique fondamental.
Il y a peu de temps encore, il semblait que nous convergions sur une valeur acceptée pour la constante de Hubble. Mais une différence mystérieuse est apparue entre les valeurs mesurées à l'aide de techniques différentes. Maintenant, une nouvelle étude publiée dans Science présente une méthode qui peut aider à résoudre le mystère.
Le problème de la précision
La constante de Hubble peut être estimée en combinant les mesures des distances par rapport aux autres galaxies. avec la vitesse ils s'éloignent de nous. Au tournant du siècle, les scientifiques ont convenu que la valeur était d'environ 70 kilomètres par seconde par mégaparsec – un mégaparsec équivaut à un peu plus de 3 m années-lumière. Mais au cours des dernières années, de nouvelles mesures ont montré que ceci pourrait ne pas être une réponse définitive .
Si nous estimons la constante de Hubble à l'aide d'observations de l'univers local actuel, nous obtenons une valeur de 73. Mais nous pouvons également utiliser les observations de l'éclat du Big Bang – le « fond hyperfréquence cosmique » – pour estimer la constante de Hubble. Mais cette mesure «précoce» de l'univers donne une valeur inférieure d'environ 67.
Fait inquiétant, les deux mesures sont rapportées suffisamment précises pour qu'il y ait un problème. Les astronomes appellent cela euphémiquement «tension» dans la valeur exacte de la constante de Hubble.
Si vous êtes préoccupant, la tension indique un problème systématique inconnu avec l’une ou les deux mesures. Si vous êtes du genre excitable, alors la divergence pourrait être un indice de certaines nouvelles physiques que nous ne connaissions pas auparavant. Même si cela a très bien réussi jusqu’à présent, notre modèle cosmologique est peut-être erroné, ou du moins incomplet.
Distant versus local
Pour aller au fond de la divergence, nous avons besoin d’un meilleur lien entre l’échelle de distance entre univers très local et très lointain.
Le nouvel article présente une approche soignée de ce défi. De nombreuses estimations du taux d'expansion reposent sur la mesure précise des distances aux objets. Mais c’est vraiment difficile à faire: nous ne pouvons pas simplement faire passer un ruban à mesurer à travers l’univers.
Une approche courante consiste à utiliser des supernovas de «type 1a» (étoiles explosées). Celles-ci sont incroyablement lumineuses, nous pouvons donc les voir à grande distance. Comme nous savons à quel point elles devraient être lumineuses, nous pouvons calculer leur distance en comparant leur luminosité apparente à leur luminosité connue.
Pour déduire la constante de Hubble à partir des observations de la supernova, vous devez les étalonner sur une échelle de distance absolue, car il existe encore une assez grande incertitude dans leur luminosité totale. Actuellement, ces «ancres» sont des marqueurs de distance très proches (et donc très précis), tels que Les étoiles variables de Céphéide qui s'illuminent et s'assombrissent périodiquement.
Si nous avions des ancres de distance absolue plus loin dans le cosmos , les distances de supernova pourraient alors être calibrées plus précisément sur une plage cosmique plus large.
Ancres très lointaines
Le nouveau travail a largué quelques nouvelles ancres en exploitant un phénomène appelé à focalisation gravitationnelle . En regardant comment la lumière provenant d'une source d'arrière-plan (comme une galaxie) se plie sous l'effet de la gravité d'un objet massif en avant, nous pouvons déterminer les propriétés de cet objet au premier plan.
L'équipe a étudié deux galaxies qui captent la lumière de deux autres galaxies d'arrière-plan. La distorsion est si forte que plusieurs images de chaque galaxie d'arrière-plan sont projetées autour des déflecteurs au premier plan (comme dans l'image ci-dessus). Les composantes de la lumière composant chacune de ces images auront parcouru des distances légèrement différentes lors de leur voyage vers la Terre, à mesure que la lumière se pliera autour du déflecteur au premier plan. Cela provoque un retard de l’heure d’arrivée de la lumière sur l’image à objectif.
Si la source d’arrière-plan a une luminosité relativement constante, nous ne remarquons pas ce retard. Mais lorsque la source d'arrière-plan elle-même varie en luminosité, nous pouvons mesurer la différence de temps d'arrivée de la lumière. C'est exactement ce que fait ce travail.
Le retard temporel sur l'image à lentilles est lié à la masse de la galaxie au premier plan qui dévie la lumière et à sa taille physique. Ainsi, lorsque nous combinons le délai mesuré avec la masse de la galaxie déflectrice (que nous connaissons), nous obtenons une mesure précise de sa taille physique.
Comme un penny tenu à bout de bras, nous pouvons alors comparer l'apparent taille de la galaxie à la taille physique pour déterminer la distance, car un objet de taille fixe paraîtra plus petit lorsqu'il sera éloigné. Les auteurs présentent des distances absolues de 810 et 1230 mégaparsecs pour les deux galaxies déflectrices, avec une marge d'erreur d'environ 10 à 20%.
En traitant ces mesures comme des ancres de distance absolue, les auteurs procèdent à une nouvelle analyse de l'étalonnage de distance de 740 supernovas. à partir d'un ensemble de données bien établi utilisé pour déterminer la constante de Hubble. La réponse obtenue est un peu plus de 82 kilomètres par seconde par mégaparsec
ce qui est assez élevé par rapport aux chiffres mentionnés ci-dessus. Mais le point clé est que, avec seulement deux ancres de distance, l’incertitude concernant cette valeur est encore très grande. Ce qui est important, cependant, est statistiquement cohérent avec la valeur mesurée à partir de l'univers local. L'incertitude sera réduite en traquant – et en mesurant – les distances à d'autres galaxies fortement cristallisées et variant dans le temps. Ils sont rares, mais des projets à venir, tels que le Grand télescope géoptique synoptique devraient permettre de détecter de nombreux systèmes de ce type, ce qui laisse espérer des valeurs fiables.
Le résultat est une autre pièce du puzzle. Mais il reste encore du travail à faire: cela n’explique toujours pas pourquoi la valeur dérivée du fond diffus cosmologique est si basse. Donc, le mystère demeure, mais espérons pas trop longtemps.
Cet article est republié de La conversation de James Geach . ]Professeur d’astrophysique et chercheur universitaire à la Royal Society University, University of Hertfordshire sous licence Creative Commons. Lisez l'article original .
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