Taux d’expansion de l’Univers : les mesures impliquant le fond diffus cosmologique sont correctes

Quelle est la valeur du taux d’expansion de l’Univers (H0) ? Cette question d’apparence simple est à la base d’un des plus grands paradoxes cosmologiques actuels. Celui-ci repose sur un désaccord profond entre les valeurs de H0 mesurées via l’étude du fond diffus cosmologique (CMB) d’un côté et via le phénomène de récession des galaxies de l’autre. Récemment, des chercheurs ont analysé un ensemble de données micro-ondes issues de trois années d’observation et ont confirmé que les mesures basées sur le CMB étaient correctes. Cela ne tranche toujours pas le désaccord, car si ces résultats montrent que la mesure de H0 via le CMB n’est entachée d’aucun biais ou erreur de mesure, ils ne permettent pas pour autant de statuer sur l’issue du débat.

La nouvelle estimation, basée sur les données issues d’un groupe de télescopes dans le désert chilien d’Atacama, permet tout d’abord de donner un âge relativement précis à l’Univers : 13.77 milliards d’années, plus ou moins 40 millions d’années. Mais elle impacte surtout l’un des désaccords les plus importants en astrophysique : à quelle vitesse l’Univers s’étend-il ? Décrit dans deux articles scientifiques, le nouveau résultat donne une impulsion significative à un des côtés du désaccord, bien que les physiciens n’aient pas pu prouver que l’autre côté du différend était faux.

Voici le problème : les physiciens savent qu’une énergie mystérieuse appelée énergie sombre provoque l’expansion de l’Univers de manière accélérée dans toutes les directions. Mais lorsque les astronomes pointent leurs télescopes dans l’espace pour mesurer la constante de Hubble (H0) — le nombre donnant la valeur du taux d’expansion — ils arrivent avec des nombres qui ne sont pas en accord les uns avec les autres, selon la méthode qu’ils utilisent.

Un taux d’expansion en accord avec les résultats de la mission Planck

Une méthode, basée sur des mesures de la vitesse à laquelle les galaxies proches s’éloignent de la Voie lactée, produit un H0. Une autre méthode, basée sur l’étude de la lumière la plus ancienne de l’espace, le fond diffus cosmologique (CMB), produit un autre H0. Ce désaccord a amené les cosmologistes à se demander s’il existe un angle mort important dans leurs mesures ou leurs théories.

Ces nouveaux résultats semblent montrer qu’il n’y a pas eu d’erreurs de mesure du côté du CMB. « Nous trouvons un taux d’expansion qui correspond exactement à l’estimation de l’équipe du satellite Planck. Cela nous donne plus de confiance dans les mesures concernant le CMB », explique l’astrophysicien de l’Université Cornell Steve Choi. Les données du satellite Planck, publiées en 2018, étaient les mesures les plus importantes du CMB jusqu’à présent.

Anisotropies du CMB : elles permettent de calculer une valeur correcte de H0

Avec un niveau de précision sans précédent, ils ont montré à quel point les mesures de H0 basées sur le CMB sont en désaccord avec les mesures basées sur le mouvement des galaxies proches. Ces nouveaux résultats ont recalculé la mesure du CMB à partir de zéro en utilisant un ensemble entièrement différent de données et de calculs, et ont abouti à des résultats très similaires. Cela ne prouve pas que cette valeur de H0 issue du CMB est correcte — il pourrait encore y avoir un problème avec les théories physiques utilisées pour faire le calcul — mais cela suggère qu’il n’y a pas d’erreurs de mesure de ce côté du désaccord.

S’appuyant sur les données de l’Atacama Cosmology Telescope (ACT) dans le désert d’Atacama au Chili, les chercheurs ont suivi de faibles différences entre différentes parties du CMB — qui semble avoir des niveaux d’énergie différents dans différentes parties du ciel. En combinant les théories sur la formation du CMB avec des mesures précises de ses fluctuations, les physiciens peuvent déterminer à quelle vitesse l’Univers se développait à ce moment-là. Ces données peuvent ensuite être utilisées pour calculer H0.

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L’ACT a méthodiquement scanné la moitié du ciel entre 2013 et 2016, en regardant en particulier le rayonnement micro-onde. Ensuite, les chercheurs ont passé des années à nettoyer et analyser les données à l’aide de supercalculateurs, en supprimant d’autres sources micro-ondes qui ne font pas partie du CMB, pour assembler une carte complète du CMB. Ce n’est que lorsque la carte CMB a été complète que les chercheurs l’ont utilisée pour calculer H0. Les auteurs ont trouvé H0 = 67.9 ± 1.5 km/s/Mpc, en accord avec la mission Planck.

Une technique de mesure en compétition avec la méthode des céphéides

La nouvelle carte CMB offrait également une nouvelle mesure de la distance entre la Terre et le CMB. Cette distance, combinée à une nouvelle mesure de la vitesse à laquelle l’Univers s’est étendu au fil du temps, a permis un calcul précis de l’âge de l’Univers. L’autre approche pour calculer H0 repose sur des étoiles pulsantes appelées céphéides, qui résident dans des galaxies éloignées et pulsent régulièrement. Cette pulsation chronométrée permet aux chercheurs d’effectuer des calculs précis de leur mouvement et de leurs distances par rapport à la Terre.

Avec ces mesures de vitesse directes, il est assez simple de trouver une valeur de H0. Il n’y a pas de théories cosmologiques compliquées impliquées. Mais il est possible, selon certains cosmologistes, que notre région de l’Univers soit étrangement vide et non représentative de tout l’Univers. Il est même possible qu’il y ait des problèmes de mesure avec les céphéides, et que ces balises de mesure cosmiques ne fonctionnent pas tout à fait comme les physiciens s’y attendent.

Sources : Princeton