L’étrange phénomène connu sous le nom de « tension de Hubble » se traduit par le fait que la vitesse d’expansion de l’Univers semble différente selon les échelles de distance cosmique et les objets observés. De nouvelles observations ont permis de confirmer que cet écart n’est pas dû à des erreurs de mesure, contrairement à ce qu’on pensait jusqu’ici. Cela concorde avec les preuves croissantes suggérant que notre compréhension de l’Univers pourrait être erronée.
La mesure de l’expansion de l’Univers est définie par la constante de Hubble, qui se traduit par la vitesse à laquelle une galaxie se déplace en fonction de sa distance par rapport à l’observateur. Pour la déterminer, les astronomes se basent sur deux principales méthodes : l’observation du fond diffus cosmologique (CMB) et l’observation des étoiles céphéides. La cartographie du CMB réalisée entre 2009 et 2013 à l’aide de l’observatoire spatial Planck a permis de déduire une valeur de 67,4 ± 0,5 km/s/Mpc de la constante de Hubble. De nombreux autres instruments ont systématiquement trouvé des valeurs similaires.
Cependant, les mesures basées sur les céphéides ont donné une valeur radicalement différente : 73,0 ± 1,0 km/s/Mpc. Les céphéides sont des étoiles géantes (entre 4 à 15 masses solaires) variables qui pulsent selon un rythme très régulier. Leur luminosité oscille entre 0,1 et 5 de magnitude, selon une période comprise entre 1 et 135 jours, ce qui donne l’impression qu’elles pulsent. À mesure que les céphéides deviennent plus brillantes, leur rythme de pulsation diminue, ce qui permet de déduire leur luminosité absolue. En comparant cette dernière à la luminosité observée, ces étoiles peuvent être utilisées comme indicatrices de distance et ainsi de l’expansion de l’Univers.
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Les astronomes pensaient jusqu’à présent que cet écart entre les valeurs de la constante de Hubble était dû à des erreurs de mesure. En réitérant les observations à la fois avec le télescope Hubble et James Webb afin d’obtenir des données plus précises, des astronomes ont finalement confirmé qu’il a bien un écart entre les deux valeurs, bien qu’il n’y ait pas d’erreur possible dans les différentes mesures. Cela suggère que le rythme d’expansion de l’Univers varie à différents endroits, renforçant davantage la tension de Hubble.
« Une fois les erreurs de mesure annulées, ce qui reste est la possibilité réelle et passionnante que nous ayons mal compris l’univers », a déclaré dans un communiqué de la NASA, Adam Riess, physicien à l’Université Johns Hopkins de Baltimore et auteur principal de la nouvelle étude sur le sujet. Riess est le lauréat du prix Nobel de physique de 2011 pour avoir co-découvert l’accélération de l’expansion de l’Univers due à l’énergie noire.
L’hypothèse de l’énergie noire renforcée
En analysant les mesures basées sur les céphéides, des chercheurs ont précédemment suggéré de façon logique que les mesures deviennent moins précises à mesure que les étoiles sont éloignées. Leur rayonnement pourrait notamment se confondre avec ceux d’étoiles adjacentes. Cet effet deviendrait plus prononcé avec la distance, car les étoiles deviennent plus difficiles à distinguer les unes des autres, selon un phénomène appelé « encombrement stellaire ». Cet effet a par exemple été observé à maintes reprises au cours des observations de Hubble. D’autre part, la poussière cosmique entrave également la précision des mesures basées sur la lumière visible.
À l’aide de James Webb, les chercheurs peuvent désormais isoler les céphéides de la poussière cosmique et des étoiles voisines, en s’appuyant sur les observations à haute résolution basées sur l’infrarouge. L’équipe SH0ES (Supernova H0 for the Equation of State of Dark Energy) — dirigée par Riess — a effectué des observations supplémentaires de céphéides avec Webb, qui peuvent désormais être corrélées avec les données de Hubble. « La combinaison de Webb et Hubble nous offre le meilleur des deux mondes », explique l’expert.
Les nouvelles observations de Webb — rapportées dans la nouvelle étude publiée dans The Astrophysical Journal Letters — concernent 5 galaxies contenant un total de 1000 étoiles céphéides. La galaxie la plus éloignée (NGC 5468) se situe à une distance de 130 millions d’années-lumière. Après avoir croisé les données avec celles de Hubble, les chercheurs ont confirmé les mesures antérieures de la constante éponyme. « Nous avons désormais couvert toute la gamme de ce que Hubble a observé, et nous pouvons exclure une erreur de mesure comme cause de la tension de Hubble avec une très grande confiance », indique Riess.
Ces résultats renforcent l’hypothèse de l’énergie noire, qui influence la manière dont l’Univers s’étend. La théorie pourrait gagner davantage d’ampleur avec le télescope spatial Nancy Grace (en cours de développement), qui effectuera principalement des observations concernant l’influence de cette énergie sur le cosmos. Parallèlement, l’observatoire Euclide de l’Agence spatiale européenne (ESA) effectue actuellement une mission similaire.
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