A Hubble Space telescope image of the Coma cluster.

« Notre modèle de cosmologie pourrait être brisé » : une nouvelle étude révèle que l’univers s’étend trop vite pour que la physique puisse l’expliquer

Par Anissa Chauvin

La tension de Hubble est devenue plus tendue – avec de nouvelles mesures révélant que l’univers se développe plus rapidement que notre compréhension actuelle de la physique ne peut l’expliquer.

Au cours de la dernière décennie, la cosmologie a été plongée dans une crise croissante. Ce phénomène est alimenté par des observations, faites d’abord par le télescope spatial Hubble, puis par le télescope spatial James Webb, selon lesquelles l’univers s’étend à des rythmes différents selon l’endroit où les astronomes regardent.

Aujourd’hui, de nouveaux résultats utilisant un amas de galaxies dans notre propre arrière-cour cosmique ont confirmé davantage l’écart, ouvrant la cosmologie à une réécriture majeure. Les chercheurs ont publié leurs résultats le 15 janvier dans The Astrophysical Journal Letters.

« La tension se transforme désormais en crise », a déclaré l’auteur principal Dan Scolnic, professeur de physique à l’Université Duke, dans un communiqué. « Cela signifie, dans une certaine mesure, que notre modèle cosmologique pourrait être brisé. »

Il existe deux méthodes de référence pour calculer la constante de Hubble, la valeur qui quantifie la vitesse d’expansion de l’univers. La première est prise en mesurant de minuscules fluctuations du fond diffus cosmologique (CMB) – un instantané ancien de la première lumière de l’univers contenue dans des micro-ondes statiques produites seulement 380 000 ans après le Big Bang.

La deuxième méthode fonctionne à des distances plus proches (dans la vie ultérieure de l’univers) en utilisant des étoiles pulsantes appelées variables céphéides. Les étoiles céphéides meurent lentement et leurs couches externes d’hélium gazeux grandissent et rétrécissent à mesure qu’elles absorbent et libèrent des radiations, les faisant scintiller comme des lampes de signalisation lointaines.

À mesure que les Céphéides deviennent plus brillantes, elles palpitent plus lentement, ce qui permet aux astronomes de mesurer la luminosité intrinsèque des étoiles. En comparant la luminosité réelle des étoiles à leur luminosité observée depuis la Terre et en utilisant des supernovae de type Ia (qui explosent avec la même luminosité partout) comme ancres, les astronomes peuvent enchaîner les lectures des Céphéides dans une « échelle de distance cosmique » pour scruter plus profondément le passé de l’univers.

Mais c’est là que commence le mal de tête. En utilisant le satellite Planck de l’Agence spatiale européenne pour mesurer le CMB, les cosmologistes ont obtenu une constante de Hubble d’environ 67 kilomètres par seconde par mégaparsec (km/s/Mpc).

Ce résultat, ainsi que d’autres mesures de l’univers primitif, s’aligne sur les prédictions faites par le modèle standard de cosmologie. Mais cela a été rapidement contredit par les mesures de l’échelle de distance des Céphéides qui ont révélé un taux d’expansion de 73 km/s/Mpc — une valeur bien en dehors de la plage d’erreur des mesures de Planck, et une indication claire que l’univers s’étend bien plus vite que la théorie. permis.

Les astronomes ont proposé diverses explications sur la cause de ce désaccord, certains tentant de découvrir d’éventuelles erreurs systématiques dans les résultats. Pendant ce temps, d’autres ont encore renforcé la tension avec des mesures d’échelle de distance de plus en plus précises.

Pour approfondir la tension, l’équipe à l’origine de la nouvelle étude a utilisé une échelle de distance réalisée à partir des données extraites de l’instrument spectroscopique de l’énergie sombre (DESI), qui identifie les positions mensuelles de millions de galaxies pour étudier comment l’univers s’est étendu jusqu’à nos jours. .

Pourtant, alors que les données originales DESI produisaient un résultat tout aussi troublant pour le modèle standard de cosmologie — une constante de Hubble de 76,05 km/s/Mpc, encore plus en dehors de la plage d’erreur des mesures de Planck — des incertitudes sur la distance jusqu’au premier échelon de son échelle à proximité de l’amas de galaxies Coma a brouillé les résultats.

« La collaboration DESI a fait la partie la plus difficile, il manquait le premier échelon à leur échelle », a déclaré Scolnic. « Je savais comment l’obtenir, et je savais que cela nous donnerait l’une des mesures les plus précises de la constante de Hubble que nous puissions obtenir, alors quand leur article est sorti, j’ai absolument tout laissé tomber et j’ai travaillé dessus sans arrêt. »

Pour confirmer l’estimation du DESI, Scolnic et son équipe ont étudié 12 supernovae de type Ia différentes réparties dans l’amas de Coma. Ils ont découvert que l’amas se trouve à environ 320 millions d’années-lumière de la Terre – une estimation qui a échoué au milieu des mesures précédentes effectuées au cours du dernier demi-siècle.

Avec son premier échelon plus fermement fixé, l’échelle de distance mise à jour a renvoyé un résultat de 76,5 km/s/Mpc, confirmant encore davantage la tension et son potentiel à défaire le modèle standard de la cosmologie. Pourtant, ce qui pourrait remplacer ou modifier cette théorie vieille de 40 ans reste flou.

« Nous sommes à un point où nous nous attaquons très fort aux modèles que nous utilisons depuis deux décennies et demie, et nous constatons que les choses ne correspondent pas », déclare Scolnic. « Cela pourrait remodeler notre vision de l’Univers, et c’est passionnant ! Il reste encore des surprises en cosmologie, et qui sait quelles découvertes suivront ? »

Anissa Chauvin