Expansion de l'Univers : comment trouver la bonne mesure ?

Illustration © Mark Ross Studios
Deux écoles s'affrontent pour déterminer la valeur de la constante de Hubble, notée H0, qui permet d’estimer le taux d’expansion de l’Univers. Des chercheurs réalisent qu'utiliser les données les plus sûres ne résout pas le problème de la mesure.

Les spécialistes de l’étude de l’Univers l’affirment : nous sommes dans l’ère de la cosmologie de précision. Pourtant, ce dernier mot est trompeur. Il signifie que, lorsque l’on mesure quelque chose, les barres d’erreur sont petites… mais pas forcément que l’on connaît toutes les erreurs possibles ! Le meilleur exemple en est la détermination précise du taux d’expansion de l’Univers, ou « constante de Hubble » : il serait de 67,4 km/s/Mpc avec une incertitude de moins de 1 % ou… de 73,5 km/s/Mpc avec une incertitude de 2 % ! Mais alors, quelle valeur choisir ?

Désaccord sur la constante de Hubble

Charles Steinhardt, de l’université de Copenhague (Danemark). © Wikimedia Commons
Charles Steinhardt. DR

Pour trancher le débat sur la constante de Hubble, une voie est de s’assurer de la précision réelle des données. C’est celle suivie par Charles Steinhardt (université de Copenhague, Danemark) et son équipe. Ils ont testé l’une des manières d’estimer le taux d’expansion de l’Univers : la mesure du redshift — ou décalage vers le rouge — dans le spectre lumineux des supernovae lointaines. Une mesure réputée très sure.

Avant d’aller plus loin, il faut savoir que deux écoles s’affrontent pour déterminer la valeur de la constante de Hubble, notée H0. Il y a ceux qui utilisent les observations du « rayonnement de fond cosmologique », à savoir la première lumière à s’être propagée librement dans l’Univers, 380 000 ans après le big bang. Certaines de ses propriétés donnent un H0 de 67,4 km/s/Mpc. Traduction : du fait de l’expansion cosmique, chaque cube d’Univers de 1 mégaparsec de côté grossirait au rythme de 67,4 km par seconde. « Le rayonnement de fond cosmologique permet de mesurer la composition de l’Univers lorsqu’il était jeune, explique Charles Steinhardt, et de là de remonter à celle de notre époque, ce qui permet d’en déduire la constante de Hubble. »

L’autre école utilise les explosions d’étoiles appelées supernovae de type Ia et en déduit un H0 autour de 73,5. De type Ia, dites-vous ? Dans un couple stellaire, il arrive que l’une des étoiles siphonne la matière de l’autre. Et lorsqu’elle grossit au point de dépasser 1,44 fois la masse du Soleil, elle explose en une supernova dite de type Ia (c’est juste une classification faite par les astronomes). L’avantage de ces supernovae, c’est que leur brillance absolue est toujours la même. En comparant celle-ci à l’éclat observé, on en déduit la distance à l’explosion.

Mais une seconde chose est observée : le redshift de la supernova. Lorsqu’un astre s’éloigne de nous, les longueurs d’onde de sa lumière tendent à augmenter en fonction de sa vitesse, un peu comme le fait le son du pin-pon d’une ambulance. C’est la mesure de ce décalage vers le rouge (vers les grandes longueurs d’onde) que l’on appelle redshift. De la comparaison entre la distance et le redshift de nombreuses supernovae, on déduit la valeur de la constante de Hubble, ou encore la composition de l’Univers en matière noire. C’est la précision de la détermination de ce fameux redshift qu’ont questionnée Charles Steinhardt et son équipe.

Des redshifts pas si sûrs

Car bien souvent, on omet l’incertitude sur cette quantité dont la mesure est considérée comme très, très précise. Mais cette négligence pourrait être problématique, car tous les redshifts ne sont pas évalués avec une précision record. Cela dépend de la méthode employée et il en existe deux !

La première quantifie la vitesse d’éloignement d’une supernova en observant la vitesse de sa coquille de gaz. Mais celle-ci a deux composantes : celle due à l’explosion elle-même (10 000 à 15 000 km/s) et celle due à l’expansion de l’Univers, qui éloigne la supernova de nous, et qui permet de mesurer H0. Pour déterminer cette dernière vitesse, il nous faut donc soustraire la première composante à la vitesse totale de la coquille, ce qui nécessite de savoir modéliser parfaitement ces explosions d’étoiles. Comme ce n’est pas le cas, l’erreur sur le redshift peut atteindre jusqu’à quelques pour cent.

En bas à gauche : la supernova de type Ia SN 1994D, observée dans la galaxie NGC4526. © Nasa
En bas à gauche : la supernova de type Ia SN 1994D, observée dans la galaxie NGC4526. © Nasa

Une seconde méthode, bien plus précise et fiable, consiste à examiner la lumière de la galaxie à laquelle appartient la supernova. Sa vitesse d’éloignement, entièrement due à l’expansion de l’Univers, correspond donc à celle de la supernova et est acquise directement. L’erreur commise sur la mesure du redshift peut alors être inférieure au millième de pour cent.

Dans ce cas, pourquoi ne pas toujours employer cette seconde méthode ? « Lorsqu’on la détecte, une supernova est généralement plus brillante que sa galaxie hôte, répond Charles Steinhardt. Elle nous aveugle, ce qui fait que l’analyse de la lumière de sa galaxie est souvent impossible. Sauf parfois lorsque cette dernière est suffisamment proche de nous ou si la supernova explose sur ses bords. »

Un bazar peu pratique

En pratique, les catalogues de supernovae contiennent plusieurs centaines d’explosions dont le redshift est déterminé à l’aide des deux méthodes. C’est le cas pour le catalogue Pantheon, l’un des plus utilisés, et qui contient 1 048 supernovae. Et lorsque l’on regarde ses incertitudes sur les redshifts, c’est un peu le bazar : elles peuvent varier d’un facteur 1000 d’une supernova à l’autre !

Supernovae observées dans des galaxies lointaines. © Nasa/ESA and A. Riess (STScI)
Observation de supernovae lointaines par le télescope spatial Hubble. © Nasa/ESA and A. Riess (STScI)

En fait, ce catalogue est une compilation de douze autres, et la manière de déterminer les incertitudes varie d’un catalogue à un autre selon le télescope utilisé, le temps d’observation, la résolution spectrale, etc. Aussi, pour voir les effets des deux méthodes de mesure du redshift sur la détermination de H0, les chercheurs ont séparé les supernovae de Pantheon en deux groupes correspondants. Puis ils ont cherché à déterminer la constante de Hubble et la quantité de matière noire dans l’Univers pour chacun d’entre eux.

Un résultat inattendu sur la matière noire

Résultat : le premier groupe de 702 supernovae, dont le redshift est acquis de manière fiable grâce à leur galaxie hôte, indique une constante de Hubble qui reste supérieure à celle déterminée avec le rayonnement de fond, et même légèrement supérieure à la valeur de 73,5, mais aussi un contenu en matière noire qui serait inférieur à celui déduit de ce même rayonnement. « Découvrir qu’utiliser les données les plus sûres ne résout pas le problème de la mesure de H0 entre le rayonnement de fond et les supernovae, mais aussi fait apparaître un autre problème quant à la matière noire nous a surpris », se souvient Charles Steinhardt. Les preuves de ce double effet restent néanmoins encore insuffisantes pour être certain de son existence.

Aussi les astronomes vont-ils reprendre le catalogue Pantheon afin que toutes ses supernovae aient leur redshift spécifié par la méthode la plus fiable. « Nous espérons également que la communauté attendra désormais quelques mois chaque fois qu’une supernova sera repérée afin que sa lumière ait le temps de décroître et que l’on puisse analyser celle de sa galaxie hôte pour en déduire précisément son redshift », souhaite Charles Steinhardt, dont les travaux aident ainsi à relativiser la notion de cosmologie de précision. Paradoxalement, si les barres d’erreur sont petites, cela ne veut pas dire que la mesure est bonne !

 

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