Les astronomes ont atteint une impasse fondamentale dans leur compréhension de l’univers : ils n’arrivent pas à se mettre d’accord sur la vitesse à laquelle il s’éloigne. Et à moins de trouver une explication raisonnable à leurs estimations divergentes, ils pourraient être contraints de repenser complètement leurs idées sur le temps et l’espace. Seule une nouvelle physique peut désormais rendre compte de l’énigme cosmique qu’ils ont mise au jour, estiment beaucoup.
« Il y a cinq ans, personne en cosmologie ne s’inquiétait vraiment de la question de la vitesse d’expansion de l’univers. Nous considérions cela comme acquis », explique l’astrophysicien Daniel Mortlock, de l’Imperial College de Londres. « Maintenant, nous devons nous gratter la tête – et faire beaucoup de recherches. »
Ce point de vue est soutenu par l’astrophysicien américain et prix Nobel Adam Riess, de l’université Johns Hopkins. « Je pense que cette question est devenue un gros problème. Nous comprenions de mieux en mieux l’univers et pourtant, plus nous avons regardé de près, plus nous avons découvert qu’il y avait tous ces composants mystérieux. »
Au fil des décennies, ces surprises ont inclus la découverte de la matière noire – que l’on pense être composée de particules non encore détectées – dont l’attraction gravitationnelle supplémentaire explique pourquoi les galaxies ne s’envolent pas. Par ailleurs, les astronomes ont également découvert l’existence de l’énergie noire, qui accélère le rythme d’expansion du cosmos.
« Ces deux découvertes étaient déjà assez remarquables », ajoute Riess qui a obtenu son Nobel pour sa participation à la découverte de l’énergie noire. « Mais maintenant, nous sommes confrontés au fait qu’il pourrait y avoir un troisième phénomène que nous avions négligé – bien que nous n’ayons pas encore vraiment d’indice sur ce qu’il pourrait être. »
Les scientifiques ont réalisé pour la première fois que l’univers était en expansion dans les années 1920, lorsque l’astronome américain Edwin Hubble a constaté que plus la distance entre deux galaxies est grande, plus elles s’éloignent rapidement. Cela reste l’une des découvertes scientifiques les plus importantes jamais réalisées.
Une façon de penser à ce phénomène est d’imaginer un pain aux fruits qui cuit dans un four. Au fur et à mesure que sa pâte monte et se dilate, les raisins secs et les sultanines incorporés à l’intérieur du pain s’éloignent les uns des autres. L’univers est comme ce pain aux fruits. Il est en expansion et fait en sorte que les galaxies – les raisins secs et les sultanines qui y sont intégrés – s’éloignent les unes des autres à toute vitesse.
Mais si l’univers devenait de plus en plus grand, une question clé demeurait : quel est le taux exact de cette expansion ? À quelle vitesse le cosmos se désagrège-t-il ? Ou, pour être plus précis : quelle est la valeur exacte de la constante de Hubble, comme on a appelé par la suite la vitesse d’expansion de l’univers ? C’est une valeur très importante, très recherchée, car elle nous en dit long sur l’origine, l’âge, l’évolution et, finalement, le destin du cosmos. D’où les efforts déployés par les astronomes au cours du siècle dernier pour trouver une réponse précise.
Ces observations se sont toutefois appuyées sur deux approches très différentes. L’une s’est concentrée sur le comportement des galaxies proches de notre propre galaxie, la Voie lactée, et a impliqué que les scientifiques travaillent – avec une précision croissante – à la vitesse à laquelle elles s’éloignent les unes des autres. « C’est l’approche locale », déclare Riess, dont les travaux se sont concentrés sur le perfectionnement de la mesure des distances entre les galaxies de notre région de l’univers. (Voir « La constante de Hubble et Henrietta Leavitt », ci-dessous.)
L’autre méthode permettant d’établir la constante de Hubble a consisté pour les astronomes à observer le motif ondulatoire de la lumière, appelé fond diffus cosmologique, qui s’est formé juste après le big bang de la naissance du cosmos il y a 13,8 milliards d’années. Ce fond a été étudié avec une précision croissante par des satellites américains et européens – plus récemment par l’observatoire Planck de l’Agence spatiale européenne – et ces observations ont permis aux scientifiques de construire un modèle qui tient compte de l’énergie et de la matière noires et qui montre comment la croissance de l’univers primitif aurait probablement produit une expansion que les astronomes peuvent mesurer aujourd’hui.
Et jusqu’à très récemment, ces deux approches différentes produisaient des estimations qui semblaient cohérentes entre elles, bien que des incertitudes considérables soient associées aux deux mesures. « Le meilleur pari de tout le monde était que la différence entre les deux estimations n’était que le fruit du hasard, et que les deux valeurs convergeraient au fur et à mesure que des mesures seraient prises », explique Mortlock. En d’autres termes, à mesure que les deux valeurs étaient testées avec une précision de plus en plus grande, leurs différences disparaissaient.
Malheureusement pour les astronomes qui cherchent une solution simple au problème, cela ne s’est pas produit. « En fait, c’est le contraire qui s’est produit », déclare Mortlock, qui est également basé à l’Université de Stockholm. « La divergence s’est renforcée. L’estimation de la constante de Hubble qui avait la valeur la plus faible est devenue un peu plus faible au fil des ans et celle qui était un peu plus élevée est devenue encore plus grande. »
Aujourd’hui, ceux qui utilisent les données de Planck et du fond cosmologique pour obtenir une valeur pour la constante de Hubble obtiennent un chiffre de 67,4 plus ou moins 0,5. En revanche, l’approche locale donne un chiffre de 73,5 plus ou moins 1,4. Ces valeurs représentent les deux valeurs différentes que nous avons pour l’expansion de l’univers. (Voir « Une question de métrique », ci-dessous.)
La dissemblance peut ne pas sembler grande mais elle est significative. Ils disent qu’il y a maintenant moins d’une chance sur 100 000 que cette différence puisse être expliquée par le hasard. « Il ne s’agit pas simplement de deux expériences en désaccord », déclare Riess. « Nous mesurons quelque chose de fondamentalement différent. L’une est une mesure de la vitesse d’expansion de l’univers telle que nous la voyons aujourd’hui. L’autre est une prédiction basée sur la physique de l’univers primitif et sur des mesures de la vitesse à laquelle il devrait s’étendre. Et ces mesures ont maintenant été corroborées indépendamment par d’autres groupes, de sorte que la divergence ne dépend pas d’un seul outil ou d’une seule équipe.
« Et si ces valeurs ne concordent pas, cela signifie qu’il y a une très forte probabilité que nous manquions un facteur dans le modèle cosmologique qui relie les deux époques. » En bref, quelque chose semble être absent de notre compréhension de l’univers et la constante de Hubble est devenue le centre d’une bataille très disputée pour découvrir la nature de cette influence invisible.
Pour commencer, la différence entre deux valeurs a des implications sur l’âge de l’univers, logeant plus d’un milliard d’années de son existence dans un cas. « Changer la constante de Hubble de 67,4 à 73,5 signifierait qu’il a dû se séparer plus rapidement qu’on ne le supposait auparavant et qu’il doit donc être plus jeune que son âge actuellement accepté de 13,8 milliards d’années », explique Mortlock. « En fait, il se réduirait à 12,7 milliards d’années. »
Et cela pose des problèmes. Il y a quelques très vieilles étoiles dans l’univers dont l’âge est estimé à environ 12 milliards d’années, ce qui rend une chronologie cosmique réévaluée un peu difficile à digérer. Les étoiles mettent beaucoup de temps à se former, après tout.
Cependant, ce n’est pas le vrai problème, dit Mortlock. « Le problème de base est que le fait d’avoir deux chiffres différents pour la constante de Hubble, mesurés à partir de perspectives différentes, invaliderait tout simplement le modèle cosmologique que nous avons fait de l’univers. Nous ne pourrions donc pas dire quel est l’âge de l’univers avant d’avoir mis au point notre physique. »
En raison des corroborations indépendantes, Riess est devenu plus confiant qu’il doit y avoir une divergence fondamentale en cause, une divergence qui n’est pas due à des défauts méthodologiques ou à des erreurs d’observation, mais causée par une caractéristique de notre univers dont les scientifiques ne se doutaient pas auparavant. « Je pense qu’il se passe quelque chose d’intéressant », déclare-t-il. « Et je ne considère pas les erreurs de mesure comme intéressantes. »
Mais si l’erreur de mesure ne peut plus être considérée comme une cause des différences de valeurs de la constante de Hubble, quels nouveaux concepts pourraient expliquer cette divergence ? Les astronomes ont déjà avancé un certain nombre de suggestions.
Une idée propose que l’univers contienne une nouvelle classe de particules subatomiques qui se déplacent à une vitesse proche de celle de la lumière. Ces entités sont appelées rayonnement sombre et pourraient également inclure des particules déjà connues comme les neutrinos. Celles-ci affecteraient la vitesse d’expansion de l’univers.
Une autre idée est qu’il y a eu un épisode spécial et intense d’énergie sombre peu de temps après le big bang, qui a étendu l’univers plus rapidement que les astronomes ne l’avaient précédemment apprécié.
Et enfin, il y a la possibilité que les particules qui composent la matière noire interagissent plus fortement avec la matière normale qu’on ne le supposait auparavant. Là encore, cela aurait un impact sur la constante de Hubble.
Tous les scientifiques ne sont pas aux anges à l’idée qu’une de ces propositions soit la réponse à leur dilemme de mesure et espèrent toujours qu’il sera finalement possible de concilier les deux valeurs qu’ils obtiennent pour la constante de Hubble. Ce point est souligné par Mortlock. « Nous avons déjà découvert que notre univers est dominé par la matière noire et par l’énergie noire dont nous pouvons observer les effets mais dont la nature fondamentale reste un mystère. Ce sont deux énormes points d’interrogation qui planent déjà sur notre compréhension du cosmos. Personnellement, je ne ressens pas le besoin d’en avoir un troisième. »
Pour sa part, Riess adopte un point de vue légèrement plus optimiste. « Nous ne sommes pas faits de matière noire ou d’énergie noire, mais nous avons découvert leur existence même si, intuitivement, elles ne font pas partie de notre expérience de la vie sur Terre. Cela suggère que nous allons dans la bonne direction pour comprendre l’univers – même s’il se pourrait bien qu’il nous reste au moins une autre étape à franchir. »
La constante de Hubble et Henrietta Leavitt
Les étoiles connues sous le nom de variables céphéides ont joué un rôle essentiel dans notre compréhension de l’expansion de l’univers. Ces étoiles, qui sont relativement communes, varient en luminosité sur des périodes de quelques jours ou semaines. En 1908, Henrietta Leavitt a découvert qu’il existait une relation entre la luminosité d’une étoile variable céphéide et le temps qu’il lui fallait pour passer par un cycle complet de changement de luminosité.
En conséquence, en mesurant la période d’une variable céphéide, il est devenu possible de calculer sa véritable luminosité. Ensuite, en la comparant à sa luminosité apparente, les astronomes pouvaient calculer la distance de l’étoile – et de la galaxie dans laquelle elle se trouve. Hubble a utilisé cette compréhension dans son travail pour calibrer les distances cosmologiques, et les céphéides continuent aujourd’hui à fournir un étalonnage clé des distances astronomiques pour la méthode locale de calcul de la constante de Hubble.
Une question de métrique
Une constante de Hubble de 70 signifierait que l’univers est en expansion à un taux de 70 kilomètres par seconde par mégaparsec. Pour comprendre ce que cela signifie, il faut d’abord comprendre qu’un parsec est une mesure de la distance astronomique et qu’un mégaparsec est l’équivalent d’un million de parsecs. Un parsec compte 3,3 années-lumière, ce qui signifie qu’un mégaparsec équivaut à 3,3 millions d’années-lumière. Ainsi, pour chaque 3,3m années-lumière dont une galaxie est éloignée de nous, elle se déplacera plus rapidement de 70 kilomètres (43,5 miles) par seconde, en raison de l’expansion de l’univers.
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