Confirmée expérimentalement au début du 20e siècle, l’expansion de l’Univers est un phénomène dynamique se traduisant par un mouvement de récession des galaxies. En 1998, les cosmologistes Adam Riess et Saul Perlmutter démontrent que cette expansion accélère. À partir de là, de nombreuses mesures du taux d’expansion vont être effectuées via la constante de Hubble. Cependant, à la surprise des cosmologistes, un problème a émergé : les différentes valeurs mesurées ne concordent pas entre elles. Les valeurs déterminées via l’étude du fond diffus cosmologique (Planck) ne correspondent pas aux valeurs déterminées via l’étude des quasars (H0liCOW, etc). En d’autres termes, l’accélération de l’expansion est plus rapide que ne le prévoit le modèle standard cosmologique.

Une équipe de chercheurs a confirmé ce dilemme via des données recueillies à l’aide d’une nouvelle technologie de télescope reposant sur des miroirs à changement de forme. Selon leur étude, publiée dans la revue MNRAS, les mesures précises du taux d’expansion de l’Univers ne correspondent pas au modèle standard utilisé par les cosmologistes depuis des décennies. D’autres études publiées plus tôt cette année ont abouti à des conclusions similaires.

« C’est là que réside la crise de la cosmologie » déclare Chris Fassnacht, astrophysicien. « Cette inadéquation grandit et a atteint un tel point qu’il n’est vraiment plus possible de la considérer comme une coïncidence. Cette disparité ne pourrait pas plausiblement se produire par hasard » indique Adam Riess, récipiendaire du prix Nobel de physique pour sa mise en évidence de l’accélération de l’expansion.

Une expansion 9% plus rapide que prévue par le modèle standard cosmologique

Pour déterminer le taux d’expansion de l’Univers, en quelque sorte la vitesse à laquelle l’expansion se fait, les cosmologistes étudient le fond diffus cosmologique (CMB). Sur la base de ces observations, ils ont constaté qu’après le Big Bang, l’Univers s’était d’abord développé très rapidement. Ensuite, l’expansion a ralenti sous l’effet gravitationnel de la matière noire. Cependant, les mesures actuelles de la constante de Hubble montrent que l’expansion accélère bien plus rapidement que prévu par le modèle standard de la cosmologie.

illustration trois etapes basiques calcul expansion univers

Illustration montrant les trois étapes de base que les astronomes utilisent pour calculer la vitesse à laquelle l’univers se dilate dans le temps, une valeur appelée constante de Hubble. Toutes les étapes impliquent la construction d’une “échelle de distance cosmique”, en commençant par mesurer des distances précises aux galaxies voisines et en se déplaçant ensuite vers des galaxies de plus en plus lointaines. Cette “échelle” consiste en une série de mesures de différents types d’objets astronomiques ayant une certaine luminosité, que les chercheurs peuvent ensuite utiliser pour calculer les distances. Crédits : NASA/ ESA/ A. Feild (STScI)

L’étude d’avril de Riess a révélé que l’Univers se développait 9% plus rapidement que prévu par les calculs basés sur le CMB. « Ce ne sont pas seulement deux expériences en désaccord. Nous mesurons quelque chose de fondamentalement différent. L’un est une mesure de la vitesse à laquelle l’Univers se développe aujourd’hui, comme nous le voyons. L’autre est une prédiction basée sur la physique de l’Univers jeune et sur des mesures de la rapidité avec laquelle il devrait se développer. Si ces valeurs ne concordent pas, il est très probable que nous passions à côté de quelque chose ».

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Une différence de valeurs confirmée par l’étude des quasars

Pour la nouvelle étude, les chercheurs ont utilisé un système de miroirs à la pointe de la technologie au télescope de l’observatoire Keck à Hawaï. L’appareil utilise des miroirs flexibles capables de corriger les distorsions causées par l’atmosphère terrestre et de restituer des images extrêmement nettes d’objets dans le ciel. Les chercheurs ont dirigé le télescope vers trois systèmes de galaxies lumineuses et hautement actives, appelées quasars.

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Ils ont étudié les quasars en utilisant un processus appelé lentille gravitationnelle, qui mesure la façon dont la lumière se courbe lorsqu’elle se déplace autour d’objets massifs sur sa trajectoire vers la Terre. Un objet massif (comme une galaxie géante, par exemple) infléchit la lumière dans différentes directions, ce qui permet aux scientifiques de voir différentes versions déformées du même quasar, à des époques légèrement différentes de son passé.

images quasars

Images des trois quasars utilisés dans l’étude. Crédits : G Chen/C Fassnacht/UC Davs

Ils peuvent ensuite comparer ces différentes images pour calculer le temps nécessaire à la lumière d’un quasar pour nous atteindre, et recueillir des informations sur le développement de l’Univers au cours de cette période.

À l’instar des études précédentes, les nouveaux résultats ont montré que l’Univers se développait plus rapidement que prévu par le modèle standard. Les chercheurs ont comparé leurs résultats aux données du télescope spatial Hubble. Les résultats obtenus étaient cohérents.

« Une différence dans la constante de Hubble entre l’Univers précoce et tardif signifie qu’il manque quelque chose dans notre modèle standard actuel » explique l’astrophysicien Sherry Suyu. « Par exemple, il pourrait s’agir d’une énergie sombre exotique, d’une nouvelle particule relativiste, ou encore d’une nouvelle physique à découvrir ».

Sources : MNRAS

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