Les lentilles de taille galactique le confirment : L’Univers s’étend plus vite que prévu

En mesurant la façon dont la lumière se courbe autour de galaxies lointaines, un groupe d’astronomes a vérifié les conclusions antérieures selon lesquelles notre Univers non seulement s’agrandit, mais se dilate à un rythme beaucoup plus rapide que prévu.

Le seul problème, c’est que ces nouveaux calculs ne correspondent pas aux estimations faites par les observations précédentes, ce qui suggère que soit quelque chose est erroné dans nos mesures, soit nous sommes en train d’observer les effets d’une nouvelle physique au-delà du modèle standard.

Nous savons depuis près d’un siècle que l’Univers s’agrandit, depuis que l’astronome belge Georges Lemaître a compris que l’étirement des ondes lumineuses provenant de galaxies lointaines signifiait que l’espace s’éloignait de nous dans toutes les directions.

Pourtant, neuf décennies plus tard, nous ne savons toujours pas exactement pourquoi l’espace se gonfle comme il le fait. Et il semble que cette expansion s’accélère.

Les travaux réalisés par le lauréat du prix Nobel Brian Schmidt et Nicholas B. Suntzeff dans les années 1990 ont contribué à l’élaboration d’un modèle qui suggère que l’expansion de l’Univers ne ralentit pas, mais s’accélère.

La question qui se pose maintenant est la suivante : A quelle vitesse exactement l’expansion de l’Univers s’accélère-t-elle ?

Ce taux d’expansion accru est décrit par la constante de Hubble.

“La constante de Hubble est cruciale pour l’astronomie moderne, car elle permet de confirmer ou d’infirmer si notre image de l’Univers – composée d’énergie sombre, de matière sombre et de matière normale – est réellement correcte ou si quelque chose de fondamental nous échappe”, a déclaré la chercheuse principale Sherry Suyu, de l’Institut Max Planck d’astrophysique en Allemagne.

Mais il y a un problème avec la constante de Hubble – les physiciens n’arrivent pas à s’entendre sur un chiffre.

Une étude de 2016 basée sur les données du télescope spatial Hubble a produit l’une des estimations les plus précises de la constante de Hubble à ce jour, mais elle n’est pas en accord avec les observations faites par le télescope Planck, qui mesure le rayonnement de fond cosmique de l’Univers.

Cela signifie que notre physique actuelle ne pouvait pas expliquer comment l’Univers pouvait être en expansion aussi rapide que l’avait indiqué le télescope Hubble.

Sans moyen d’aligner ces chiffres, les physiciens n’étaient pas sûrs de bien comprendre le fonctionnement de l’Univers.

Au moment de la découverte de Hubble l’année dernière, le lauréat du prix Nobel Adam Riess a expliqué : “Vous partez de deux extrémités, et vous vous attendez à ce qu’elles se rejoignent au milieu si tous vos dessins sont justes et si vos mesures sont correctes. Mais maintenant, les extrémités ne se rejoignent pas tout à fait au milieu et nous voulons savoir pourquoi.”

Pour essayer de comprendre une fois pour toutes ce qui se passe, Suyu et ses collègues ont utilisé une technique légèrement différente pour mesurer la constante de Hubble.

Plutôt que de mesurer directement la lumière, un groupe d’astronomes de la collaboration H0LiCOW (qui signifie H0 Lenses in COSMOGRAIL’s Wellspring) a utilisé la façon dont la lumière se courbe autour des puits de gravité de cinq galaxies lointaines pour mesurer la vitesse à laquelle elles s’éloignent de nous.

Les galaxies ont été choisies pour leur position entre nous et des quasars plus éloignés – des régions de l’espace très lumineuses au cœur d’autres galaxies.

Grâce à la gravité, qui déforme l’espace comme une boule de bowling sur un matelas, la lumière des quasars a été courbée autour des galaxies à forte densité de gravité, dans un phénomène appelé “lentille gravitationnelle”.

Étant donné que les galaxies ne sont pas parfaitement rondes, les astronomes ont obtenu plusieurs images de chaque quasar distant.

Chaque image était un instantané de la lumière, qui prenait un chemin légèrement différent autour de la galaxie. Ainsi, à mesure que la luminosité du quasar changeait, les astronomes pouvaient utiliser les multiples images pour calculer la constante de Hubble, c’est-à-dire la vitesse à laquelle les galaxies s’éloignent de nous.

“Notre méthode est le moyen le plus simple et le plus direct de mesurer la constante de Hubble car elle ne fait appel qu’à la géométrie et à la relativité générale, sans autre hypothèse”, explique l’un des membres de l’équipe, Frédéric Courbin, de l’École polytechnique fédérale de Lausanne, en Suisse.

Grâce à ces nouvelles observations, l’équipe a pu actualiser l’estimation de la constante de Hubble à 71,9 ± 2,7 kilomètres par seconde par mégaparsec (44,6 ± 1,7 miles par seconde par mégaparsec). Un mégaparsec correspond à environ 3,3 millions d’années-lumière.

Cette estimation est très similaire à celle faite l’année dernière par le télescope Hubble. Et grâce aux nouvelles mesures précises, l’équipe a pu calculer que ce chiffre était exact à 3,8 % près.

Mais malgré la confiance que suscite ce chiffre, il ne correspond toujours pas à celui prédit par le télescope Planck, qui étudie le rayonnement laissé par le Big Bang.

Ces données suggèrent que le taux d’expansion est plus lent – l’année dernière, l’estimation de la constante de Hubble par le télescope Planck était de 67,8 ± 0,9 kilomètres par seconde par mégaparsec (42,1 ± 0,5 miles par seconde par mégaparsec).

Maintenant que d’autres résultats ont confirmé cet écart entre les deux chiffres, qu’est-ce que cela signifie ?

Il peut s’agir d’une ou de plusieurs choses : les hypothèses formulées lors du calcul de la constante de Hubble de Planck peuvent être erronées, ou nous pouvons simplement observer une fluctuation statistique.

Ou, ce qui est plus intrigant, l’écart pourrait être le résultat d’une toute nouvelle physique que nous devons encore découvrir et qui affecte la façon dont l’Univers se développe.

“Le taux d’expansion de l’Univers commence maintenant à être mesuré de différentes manières avec une telle précision que les divergences actuelles peuvent éventuellement indiquer une nouvelle physique au-delà de notre connaissance actuelle de l’Univers”, a déclaré Suyu.

L’équipe prévoit maintenant de réduire la marge d’erreur en effectuant les mêmes mesures sur un maximum de 100 quasars, afin de voir si leur constante de Hubble reste cohérente.

“Si vous voyez toujours quelque chose lorsque les barres d’erreur diminuent, il s’agit peut-être d’une nouvelle physique, au-delà du modèle standard de la cosmologie”, a déclaré Chris Fassnacht, membre de l’équipe, de l’université de Californie à Davis.

Ces recherches seront publiées cette semaine dans une série d’articles parus dans les Monthly Notices of the Royal Astronomical Society. Mais vous pouvez dès à présent lire les articles en ligne ici, ici et ici.