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Une nouvelle mesure de la constante de Hubble

Depuis près d’un siècle, les astrophysiciens ne cessent de tenter de percer le mystère de la vitesse de l’expansion de l’univers. Dans les années 1920, les astrophysiciens Georges Lemaître et Edwin Hubble découvrent que, suite au Big Bang, l’univers est entré en expansion. Des décennies plus tard, deux équipes de chercheurs se rendent compte en 1998 que le rythme de cette expansion s’accélère avec la distance. Mais ce que les scientifiques sont encore incapables de dire avec certitude, c’est à quelle vitesse notre univers est en train de s’accroître. Cette vitesse se détermine grâce à la constante de Hubble, nommée H0. Celle-ci suscite bien des interrogations entre les cosmologistes, qui depuis plusieurs années obtiennent des valeurs différentes en fonction des stratégies employées pour la déterminer. Récemment, Wendy Freedman, astronome de l’Université de Chicago et spécialiste de la mesure de H0, a réalisé une nouvelle mesure de la constante, acceptée pour publication dans The Astrophysical Journal. En se fondant sur les étoiles géantes rouges pour la calculer, elle obtient une valeur de H0 de 69,8 km/s/Mpc. Mais pour bien comprendre la portée de ce résultat, il faut revenir, tout d’abord, à la source du problème.

La tension de Hubble

Deux méthodes sont principalement utilisées pour calculer H0. Mais leurs résultats diffèrent. La première repose sur l’analyse du fond diffus cosmologique. Celui-ci correspond à la première lumière émise par l’univers il y a plus de 13 milliards d’années. Ce rayonnement est perceptible aujourd’hui, notamment à l’aide du satellite européen Planck. Il permet de mesurer la constante de Hubble : 67,4 km/s/Mpc. Un mégaparsec correspond à une distance de 3,26 millions d’années-lumière. Cela voudrait dire que sur une telle distance, l’Univers grandit de 67 km par seconde.

La seconde méthode se fonde sur l’étude des chandelles standards. « Ce sont des objets dont on connaît a priori la luminosité. Ce flux lumineux nous permet d’estimer à quelle distance elles se trouvent », nous explique Mickaël Rigault, chercheur à l’Institut de Physique des 2 Infinis de Lyon. Les supernovae, des explosions d’étoiles mourantes, sont ainsi très bien connues et sont principalement utilisées par les chercheurs. En comparant l'intensité lumineuse émise par l’étoile à celle reçue sur Terre, les astrophysiciens déterminent la distance qui les sépare. Ils prennent, de plus, en compte le déplacement de la galaxie dans laquelle elle se trouve, et peuvent ainsi estimer la vitesse d’expansion. Mais en faisant cela, ils obtiennent une autre valeur pour H0 : 74 km/s/Mpc. Une différence significative avec la première mesure issue de l’analyse du fonds diffus cosmologique… et inexplicable ! Ce qui a donné lieu à ce qu’on appelle la « tension de Hubble ».

Deux théories principales permettent d’expliquer ces différences. La première explication serait que certaines lois physiques nous sont encore inconnues. Et il faudrait alors découvrir cette nouvelle physique. « Mais on ne sait pas ce que ça pourrait être, rappelle Mickaël Rigault. Aujourd’hui aucune des théories proposées ne fonctionne. » La seconde serait qu’il y ait des erreurs dans les mesures de la constante. Pour dissoudre cette tension, les astrophysiciens travaillent abondamment sur le sujet et démultiplient les méthodes.

Wendy Freedman est spécialisée dans la deuxième méthode, utilisant les chandelles standards. Cette méthodologie nécessite, tout d’abord, des supernoave. Mais on ne connaît pas leur luminosité absolue, qui conduit à la mesure de H0. Pour cela, les chercheurs ont besoin d’un élément extérieur pour calibrer les supernovae. Il peut alors s’agir de céphéides qui se trouvent dans la même galaxie. « Une céphéide est une étoile jeune, très grosse et très brillante, dont le flux lumineux oscille à cause d’un déséquilibre au sein de celle-ci », précise Mickaël Rigault. Cette variation lumineuse permet de déduire la distance à laquelle se trouvent ces étoiles, et donc la distance de leur galaxie. À partir de cette dernière, on peut mesurer la luminosité absolue de la supernova, qui permet de remonter à H0.

Wendy Freedman travaille depuis longtemps sur les céphéides. Elles ont l’avantage d’être nombreuses et très lumineuses. « Mais il est très difficile d’observer une seule étoile dans une galaxie lointaine, parce qu’il y a toujours une nuée d’autres étoiles autour », nuance Mickaël Rigault. Depuis deux ans, l’astronome s’est intéressée aux étoiles géantes rouges comme élément de calibration, et plus précisément au sommet de la branche des géantes rouges. Ce « sommet » correspond au moment où une étoile en fin de vie atteint un pic de luminosité, dû à l’embrasement de l’hélium dans son cœur. Le pic du sommet des géantes rouges se produit toujours au même moment. « On peut prédire la distance grâce à la différence entre le flux maximum observé de cette géante rouge et ce qu’on attend être son flux absolu si elle était dans notre galaxie », explicite Mickaël Rigault. « Ce que fait alors Wendy Freedman, c’est changer la méthode de ca
Des étoiles jeunes aux étoiles en fin de vie
libration des supernovae, en passant des céphéides aux géantes rouges ». L’intérêt des géantes rouges est qu’on les trouve partout dans les galaxies, et à des endroits où les étoiles sont complétement dispersées. Elles sont donc beaucoup plus simples à observer, et la mesure qui sera établie sera plus fiable, car il n’y aura pas de perturbations dues à la présence d’autres étoiles. Leur seul désavantage est quelles sont moins lumineuses que les céphéides, donc plus difficiles à repérer.

De nouvelles mesures compatibles

L’étude de Wendy Freedman utilise quatre manières différentes pour calibrer le pic de luminosité des géantes rouges, et celles-ci s’accordent à 1 % de différence. Le résultat est donc relativement fiable. Et celui-ci indique une constante de Hubble de 69,8 km/s/Mpc. La différence de mesure n’est alors pas significative avec les résultats issus de la méthode étudiant le fond diffus cosmologique. Pour Mickaël Rigault, « les intervalles d’erreurs de mesure de chacune des deux méthodes font qu’il n’y aucune raison de penser qu’il y a un problème avec les théories actuelles. » En outre, une étude parue en mars 2021 avait obtenu des résultats similaires en étudiant une supernova, à partir des fluctuations de luminosité de surface. Leur résultat publié dans Astronomy & Astrophysics était alors de 70,50 km/s/Mpc.  Wendy Freedman a également réalisé dans son étude une comparaison de ses résultats avec ceux issus des céphéides, qui demeurent plus élevés. « Le problème se situe donc peut-être au niveau des céphéides », en conclut Mickaël Rigault.

Les récents résultats de Wendy Freedman font ainsi pencher la balance vers l’hypothèse que la tension de Hubble proviendrait d’erreurs de mesures. Ce que confirme Mickaël Rigault : « une des choses que j’ai toujours soutenues, c’est qu’il y a potentiellement trop de problèmes partout pour qu’on puisse envisager une nouvelle physique. On espère tous qu’il y ait de la nouvelle physique, car cela serait passionnant, mais cela n’a pas l’air d’être évident. » La tension pourrait peut-être se dissoudre totalement avec de meilleures données. « Plus de mesures, c’est toujours mieux, mais il nous faudrait surtout des mesures différentes », précise Mickaël Rigault. Les ondes gravitationnelles pourraient ainsi être un nouvel outil intéressant. Elles ne permettent pas encore de mesurer la constante de façon précise, mais en multipliant les données la précision pourrait augmenter. Le mystère de la mesure de la constante de Hubble reste donc toujours à élucider, mais ces nouveaux éléments laissent envisager une possible dissolution de la tension.

Source : Samantha Dizier / La Recherche
Crédit : ESA/Hubble, NASA and H. Olofsson

Une étoile géante rouge en fin de vie, observée grâce au télescope spatial Hubble