Une nouvelle étude amplifie la tension de Hubble, un écart dans les mesures du taux d’expansion cosmique, en fournissant l’étalonnage le plus précis des étoiles céphéides pour les mesures de distance. Cet écart remet en question les concepts fondamentaux de la physique et a des implications pour la compréhension de l’énergie noire, du continuum espace-temps et de la gravité.
Lorsqu’il s’agit de mesurer la vitesse d’expansion de l’Univers, le résultat dépend de quel côté de l’Univers vous partez. Une étude de l’EPFL a calibré les meilleurs étalons cosmiques à des niveaux sans précédent
” data-gt-translate-attributes=”[{“attribute=””>précision[{“attribute=””>accuracyjetant un nouvel éclairage sur la tension de Hubble.
La tension de Hubble, un écart dans le taux d’expansion cosmique (H0) entre les méthodes de mesure de l’Univers ancien et de l’Univers tardif, a intrigué les astrophysiciens et les cosmologistes. Une étude du groupe de recherche Stellar Standard Candles and Distances de l’Institut de physique de l’EPFL a réalisé le calibrage le plus précis des étoiles céphéides pour les mesures de distance, amplifiant la tension de Hubble. L’écart remet en question les concepts de base de la physique et a des implications sur la nature de l’énergie noire, le continuum espace-temps et la gravité.
L’Univers est en expansion, mais à quelle vitesse exactement ? La réponse semble dépendre de si vous estimez le taux d’expansion cosmique – appelé constante de Hubble, ou H0 – basé sur l’écho du Big Bang (le fond cosmique de micro-ondes, ou CMB) ou si vous mesurez directement H0 sur la base des étoiles d’aujourd’hui. et galaxies. Ce problème, connu sous le nom de tension de Hubble, a intrigué les astrophysiciens et les cosmologistes du monde entier.
Une étude menée par le groupe de recherche Stellar Standard Candles and Distances, dirigé par Richard Anderson à l’Institut de physique de l’EPFL, ajoute une nouvelle pièce au puzzle. Leurs recherches, publiées aujourd’hui (4 avril) dans la revue Astronomie & Astrophysiquea réalisé l’étalonnage le plus précis des étoiles céphéides – un type d’étoile variable dont la luminosité fluctue sur une période définie – pour les mesures de distance à ce jour sur la base des données collectées par l’Agence spatiale européenne (ESA) Gaïa mission. Ce nouveau calibrage amplifie encore la tension de Hubble.
Cette image Hubble montre RS Puppis, un type d’étoile variable connue sous le nom de variable Céphéide. En tant qu’étoiles variables, les céphéides ont des périodes relativement longues – RS Puppis, par exemple, varie en luminosité d’un facteur de près de cinq tous les 40 jours environ. RS Puppis est inhabituel; cette étoile variable est enveloppée d’épais nuages de poussière sombres permettant de montrer avec une clarté étonnante un phénomène connu sous le nom d’écho lumineux. Crédit : NASA, ESA et Hubble Heritage Team (STScI/AURA)-Hubble/Europe Collaboration. Remerciements : H. Bond (STScI et Penn State University) ; ESA/Hubble & ESO
La constante de Hubble (H0) porte le nom de l’astrophysicien qui, avec Georges Lemaître, a découvert le phénomène à la fin des années 1920. Elle se mesure en kilomètres par seconde par
” data-gt-translate-attributes=”[{“attribute=””>mégaparsec[{“attribute=””>megaparsec (km/s/Mpc), où 1 Mpc correspond à environ 3,26 millions d’années-lumière.
La meilleure mesure directe de H0 utilise une «échelle de distance cosmique», dont le premier échelon est fixé par le calibrage absolu de la luminosité des Céphéides, désormais recalibré par l’étude de l’EPFL. À leur tour, les Céphéides calibrent le prochain échelon de l’échelle, où les supernovae – de puissantes explosions d’étoiles en fin de vie – retracent l’expansion de l’espace lui-même. Cette échelle de distance, mesurée par les supernovae, H0, pour l’équipe d’équation d’état de l’énergie noire (SH0ES) dirigée par Adam Riess, lauréat du prix Nobel de physique 2011, place H0 à 73,0 ± 1,0 km/s/Mpc.
Premier rayonnement après le Big Bang
H0 peut également être déterminé en interprétant le CMB – qui est le rayonnement micro-ondes omniprésent laissé par le
” data-gt-translate-attributes=”[{“attribute=””>Big Bang[{“attribute=””>BigBang il y a plus de 13 milliards d’années. Cependant, cette méthode de mesure de “l’Univers précoce” doit supposer la compréhension physique la plus détaillée de la façon dont l’Univers évolue, le rendant dépendant du modèle. Les ESA Planck satellite a fourni les données les plus complètes sur le CMB, et selon cette méthode, H0 est de 67,4 ± 0,5 km/s/Mpc.
La tension de Hubble fait référence à cet écart de 5,6 km/s/Mpc, selon que l’on utilise la méthode CMB (univers précoce) ou la méthode de l’échelle de distance (univers tardif). L’implication, à condition que les mesures effectuées dans les deux méthodes soient correctes, est qu’il y a quelque chose qui ne va pas dans la compréhension des lois physiques fondamentales qui régissent l’Univers. Naturellement, cet enjeu majeur souligne à quel point la fiabilité des méthodes des astrophysiciens est essentielle.
L’échelle de distance cosmique. Crédit : NASA, ESA, A. Feild (STScI) et A. Riess (STScI/JHU)
La nouvelle étude de l’EPFL est si importante car elle renforce le premier échelon de l’échelle des distances en améliorant le calibrage des Céphéides en tant que traceurs de distance. En effet, le nouvel étalonnage nous permet de mesurer des distances astronomiques à ± 0,9 % près, ce qui apporte un soutien solide à la mesure de l’Univers tardif. De plus, les résultats obtenus à l’EPFL, en collaboration avec l’équipe SH0ES, ont permis d’affiner la mesure de H0, d’où une meilleure précision et une significativité accrue de la tension de Hubble.
“Notre étude confirme le taux d’expansion de 73 km/s/Mpc, mais plus important encore, elle fournit également les étalonnages les plus précis et les plus fiables des céphéides en tant qu’outils pour mesurer les distances à ce jour”, déclare Anderson. “Nous avons développé une méthode qui recherchait les Céphéides appartenant à des amas d’étoiles constitués de plusieurs centaines d’étoiles en testant si les étoiles se déplacent ensemble à travers le
” data-gt-translate-attributes=”[{“attribute=””>Voielactée[{“attribute=””>MilkyWay. Grâce à cette astuce, nous avons pu profiter de la meilleure connaissance de de Gaïa mesures de parallaxe tout en bénéficiant du gain de précision apporté par les nombreuses étoiles membres de l’amas. Cela nous a permis de pousser la précision des parallaxes Gaia à leur limite et fournit la base la plus solide sur laquelle l’échelle de distance peut reposer.
Repenser les concepts de base
Pourquoi une différence de seulement quelques km/s/Mpc est-elle importante, compte tenu de la vaste échelle de l’Univers ? “Cet écart a une énorme signification”, déclare Anderson. “Supposons que vous vouliez construire un tunnel en creusant deux côtés opposés d’une montagne. Si vous avez bien compris le type de roche et si vos calculs sont corrects, alors les deux trous que vous creusez se rejoindront au centre. Mais s’ils ne le font pas, cela signifie que vous avez fait une erreur – soit vos calculs sont faux, soit vous vous trompez sur le type de roche. C’est ce qui se passe avec la constante de Hubble. Plus nous recevons de confirmation que nos calculs sont exacts, plus nous pouvons conclure que l’écart signifie que notre compréhension de l’Univers est erronée, que l’Univers n’est pas tout à fait comme nous le pensions.
L’écart a de nombreuses autres implications. Cela remet en question les fondamentaux mêmes, comme la nature exacte de l’énergie noire, le continuum espace-temps et la gravité. « Cela signifie que nous devons repenser les concepts de base qui constituent le fondement de notre compréhension globale de la physique », explique Anderson.
L’étude de son groupe de recherche apporte également une contribution importante dans d’autres domaines. “Parce que nos mesures sont si précises, elles nous donnent un aperçu de la géométrie de la Voie lactée”, explique Mauricio Cruz Reyes, doctorant dans le groupe de recherche d’Anderson et auteur principal de l’étude. « L’étalonnage très précis que nous avons développé nous permettra de mieux déterminer la taille et la forme de la Voie lactée en tant que galaxie à disque plat et sa distance par rapport aux autres galaxies, par exemple. Nos travaux ont également confirmé la fiabilité du Gaïa données en les comparant avec celles prises par d’autres télescopes.
Référence : « A 0.9% calibration of the Galactic Cepheid luminosity scale based on Gaia DR3 data of open clusters and Cepheids » par Mauricio Cruz Reyes et Richard I. Anderson, 4 avril 2023, Astronomie et astrophysique.
DOI : 10.1051/0004-6361/202244775
Ce projet a reçu un financement du Conseil européen de la recherche (ERC) dans le cadre du programme de recherche et d’innovation Horizon 2020 de l’Union européenne (accord de subvention n° 947660).
RIA est financé par le FNS via une Eccellenza Professorial Fellowship, Grant number PCEFP2_194638.
