Grâce à un projet de grande envergure baptisé Pantheon+, reposant sur les données d’analyse de plus de 1500 explosions stellaires, une équipe d’astrophysiciens présente aujourd’hui les contraintes les plus précises à ce jour sur la dynamique et l’histoire de l’Univers. Leurs conclusions renforcent de manière convaincante les théories cosmologiques modernes, connues sous le nom de modèle standard de la cosmologie.
Le modèle standard de la cosmologie est actuellement le modèle qui décrit le mieux l’histoire de l’Univers observable et son contenu. Il considère l’Univers comme un espace homogène et isotrope en expansion, contenant de la matière noire et de l’énergie noire en plus de la matière ordinaire. L’analyse Pantheon+ conclut aujourd’hui que le cosmos est composé d’environ deux tiers d’énergie noire et d’un tiers de matière — principalement sous forme de matière noire — et se développe à un rythme accéléré depuis les derniers milliards d’années.
Bien que la matière noire et l’énergie noire constituent les fondements du modèle standard, aucune n’a jusqu’à présent été directement détectée ; elles demeurent ainsi parmi les plus grands mystères de la physique. Cette absence de preuves concrètes a donné lieu à quelques théories alternatives expliquant l’évolution de l’Univers. Mais grâce aux résultats de Pantheon+, qui place le modèle standard sur des bases statistiques encore plus solides, les chercheurs sont désormais convaincus d’être dans la bonne direction.
Des explosions servant d’outils de mesure
« Nous avons passé les données au peigne fin et pouvons maintenant affirmer avec plus de confiance que jamais comment l’Univers a évolué au cours des éons et que les meilleures théories actuelles sur l’énergie noire et la matière noire tiennent la route », a déclaré Dillon Brout, du Centre d’astrophysique Harvard & Smithsonian et premier auteur de l’article détaillant les résultats de Pantheon+.
L’analyse repose sur 1701 courbes de lumière issues de 1550 supernovas de type Ia (aussi qualifiées de « thermonucléaires »). Ces explosions surviennent dans les systèmes binaires contenant au moins une naine blanche : celle-ci accrète progressivement de la matière provenant de son compagnon, jusqu’à atteindre la masse critique entraînant des réactions de fusion nucléaire ; l’emballement des réactions conduit finalement à une supernova.
Ces supernovas éclipsent des galaxies entières et peuvent être aperçues à des distances supérieures à 10 milliards d’années-lumière — ce qui représente environ les trois quarts de l’âge total de l’Univers. Elles présentent une courbe de luminosité relativement constante et sont par conséquent utilisée comme « chandelle standard » pour mesurer la distance de leur galaxie hôte : les scientifiques utilisent la luminosité apparente des explosions, qui diminue avec la distance, ainsi que les mesures du décalage vers le rouge comme marqueurs du temps et de l’espace.
Ces données révèlent à leur tour la vitesse d’expansion de l’Univers à différentes époques, ce qui permet de tester diverses théories sur les composants fondamentaux de l’Univers. C’est d’ailleurs l’étude d’une supernova de type Ia qui a révélé, en 1998, l’accélération de l’expansion de l’Univers.
Compilant plus de deux décennies de données, dans un éventail encore plus large d’espace et de temps, l’analyse Pantheon+ permet de caractériser l’évolution et la composition de l’Univers de manière beaucoup plus précise. Elle comporte en effet près de 50% de points de données supplémentaires sur les supernovas que l’analyse précédente et repose sur des techniques d’analyse plus sophistiquées. Résultat : elle affiche une précision deux fois supérieure à celle de la recherche originale. Pour Dillon Brout, c’est un bond en avant, « tant dans la qualité des données que dans notre compréhension de la physique qui les sous-tend ».
Une « tension de Hubble » encore plus grande
Les données indiquent que 66,2% de l’Univers se manifeste sous la forme d’énergie noire, les 33,8% restants étant une combinaison de matière noire et de matière standard. Un autre résultat clé de cette étude concerne le taux d’expansion actuel de l’Univers, aussi connu sous le nom de constante de Hubble. En combinant les données de Pantheon+ avec celles de la collaboration SH0ES (Supernova H0 for the Equation of State of Dark energy), l’équipe a pu obtenir la mesure locale la plus rigoureuse du taux d’expansion actuel : 73,4 kilomètres par seconde par mégaparsec, avec une incertitude de seulement 1,3%. Cela signifie que pour chaque mégaparsec, soit 3,26 millions d’années-lumière, l’espace se dilate à plus de 257 000 km/h.
Mais ce résultat accentue ce que les scientifiques nomment « la tension de Hubble ». En effet, deux méthodes sont utilisées pour mesurer le taux d’expansion de l’Univers : soit les chercheurs mesurent directement la distance qui nous sépare d’étoiles voisines, soit ils se réfèrent au fond diffus cosmologique, le plus ancien rayonnement à nous parvenir. Or, les deux méthodes ne fournissent pas le même résultat ; c’est cet écart entre les deux valeurs que l’on nomme tension de Hubble.
Avec les données des projets Pantheon+ et SH0ES, cette tension a dépassé le seuil de 5 sigmas, montrant que cette différence n’est pas le fruit du hasard mais bien due à un phénomène physique, pour le moment inconnu. « De nombreuses théories récentes indiquent l’existence d’une nouvelle physique exotique dans l’Univers très primitif. Cependant, ces théories non vérifiées doivent résister au processus scientifique et la tension de Hubble reste un défi majeur », a déclaré Brout.
Les résultats de Pantheon+ donnent en tout cas un bon aperçu de l’histoire du cosmos. Les supernovas les plus anciennes sont situées à 10,7 milliards d’années-lumière, lorsque l’Univers avait environ un quart de son âge actuel. À cette époque, la matière noire et la gravité qui lui est associée limitaient le taux d’expansion de l’Univers. Mais il semble que la situation ait changé radicalement au cours des milliards d’années suivantes, l’énergie noire prenant le pas sur la matière noire. Depuis lors, l’Univers s’étend à un rythme toujours plus rapide. Forts de leurs nouvelles preuves statistiques, les chercheurs prévoient d’étudier plus en détail ce changement majeur et peut-être découvrir enfin la nature de l’énergie noire.
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