C'était au début des années 90. L'Observatoire Carnegie de Pasadena, en Californie, est vide pour les vacances de Noël. Wendy Friedman, seule à la bibliothèque, travaillait sur un problème énorme et épineux: le taux d'expansion de l'univers. Carnegie était un terrain fertile pour ce genre de travail. C'est ici, en 1929, qu'Edwin Hubble a vu pour la première fois des galaxies lointaines s'envoler de la Voie lactée, rebondissant dans le courant extérieur de l'espace en expansion. La vitesse de ce flux est devenue la constante de Hubble.
Le travail discret de Friedman a été rapidement interrompu lorsque son collègue astronome Allan Sandage, le successeur scientifique de Hubble, s'est précipité dans la bibliothèque et a gouverné et affiné la constante de Hubble pendant des décennies, défendant constamment la lenteur de l'expansion. Friedman a été l'une des dernières à préconiser des tarifs plus élevés et Sandage a vu son exploration hérétique.
«Il était tellement en colère», se souvient Friedman, maintenant à l'Université de Chicago, Illinois, «qu'à ce moment-là, j'ai réalisé que nous étions seuls dans tout le bâtiment. J'ai pris du recul et j'ai pensé que nous ne travaillions pas dans le domaine le plus convivial de la science."
Cette confrontation s'est calmée, mais pas complètement. Sandage est mort en 2010, et à ce moment-là, la plupart des astronomes avaient convergé vers la constante de Hubble à bande étroite. Cependant, les dernières données, que Sandage lui-même aurait aimé, suggèrent que la constante de Hubble est inférieure de 8% au nombre principal. Pendant près d'un siècle, les astronomes l'ont calculé en mesurant soigneusement les distances dans la partie la plus proche de l'univers et en se déplaçant de plus en plus loin. Mais récemment, les astrophysiciens ont mesuré une constante extérieure basée sur des cartes du fond cosmique micro-ondes (CMB), la rémanence inégale du Big Bang qui est devenue la toile de fond de l'univers visible. Faire des hypothèses sur la façon dont le va-et-vient de l'énergie et de la matière dans l'univers a changé le taux d'expansion cosmique depuis la formation du fond de micro-ondes cosmique,les astrophysiciens peuvent prendre leurs cartes et ajuster la constante de Hubble à l'univers local actuel. Les nombres doivent correspondre. Mais ils ne correspondent pas.
Il y a peut-être quelque chose qui ne va pas avec l'une des approches. Les deux parties recherchent des failles dans leurs propres méthodes et dans celles des autres, et des personnalités comme Friedman se précipitent pour présenter leurs propres propositions. «Nous ne savons pas où cela mènera», dit Friedman.
Mais si un accord n'est pas atteint, cela deviendra une fissure dans le firmament de la cosmologie moderne. Cela pourrait signifier qu'il manque aux théories existantes un ingrédient qui interférait entre le présent et l'ancien passé, tissé dans la chaîne d'interactions entre le CMB et la constante de Hubble actuelle. Si c'est le cas, l'histoire se répétera. Dans les années 1990, Adam Riess, actuellement astrophysicien à l'Université Johns Hopkins de Baltimore, Maryland, a dirigé l'une des équipes qui ont découvert l'énergie noire, une force répulsive qui accélère l'expansion de l'univers. C'est l'un des facteurs que les calculs de CMB doivent prendre en compte.
Maintenant, l'équipe de Riesz recherche la constante de Hubble dans l'espace proche et au-delà. Son but n'est pas seulement de clarifier le nombre, mais aussi de savoir s'il change au fil du temps de telle sorte que même l'énergie sombre ne peut pas l'expliquer. Jusqu'à présent, il ne comprend guère ce que pourrait être le facteur manquant. Et il est très intéressé par ce qui se passe.
Vidéo promotionelle:
En 1927, Hubble est allé au-delà de la Voie lactée, armé du plus grand télescope du monde à l'époque, le télescope Hooker de 2,5 mètres, situé sur le mont Wilson au-dessus de Pasadena. Il a photographié les faibles taches en spirale que nous connaissons maintenant sous le nom de galaxies et a mesuré la rougeur de leur lumière alors qu'elles se déplaçaient Doppler vers de longues ondes de lumière. En comparant le décalage vers le rouge des galaxies avec leur luminosité, Hubble est arrivé à des conclusions curieuses: plus une galaxie était faible et, vraisemblablement, plus éloignée, plus elle reculait rapidement. Par conséquent, l'univers est en expansion. Cela signifie que l'Univers a un âge fini, qui a commencé avec le Big Bang.
Contradiction cosmique
Le débat sur la constante de Hubble et le taux d'expansion de l'Univers a commencé à jouer avec une vigueur renouvelée. Les astronomes sont arrivés à une certaine date en utilisant l'échelle classique des distances, ou des observations astronomiques de l'univers local. Mais ces valeurs sont en conflit avec les estimations cosmologiques faites à partir de cartes de l'univers primitif et liées à nos jours. Il découle de cette controverse que la croissance de l'univers peut alimenter l'ingrédient manquant.
Pour déterminer le taux d'expansion - et la constante correspondante - Hubble avait besoin de distances réelles par rapport aux galaxies, pas seulement de distances relatives basées sur leur luminosité apparente. Par conséquent, il a commencé le processus laborieux de construction d'un escalier éloigné - de la Voie lactée aux galaxies voisines et au-delà, jusqu'aux frontières mêmes de l'espace en expansion. Chaque échelon de l'échelle doit être calibré avec des «bougies standard»: des objets qui bougent, pulsent, clignotent ou tournent de manière à ce que vous puissiez dire exactement à quelle distance ils se trouvent.
La première étape semblait assez fiable: des étoiles variables appelées céphéides dont la luminosité augmente et diminue au cours de plusieurs jours ou semaines. La durée de ce cycle indique la luminosité intérieure de l'étoile. En comparant la luminosité observée du Céphéide à la luminosité émanant de ses vibrations, Hubble a pu calculer la distance qui y était. Le télescope du mont Wilson a pu distinguer plusieurs céphéides dans les galaxies voisines. Pour les galaxies lointaines, il a supposé que les étoiles brillantes en elles auraient la même luminosité interne. Même dans les galaxies les plus éloignées, a suggéré Hubble, il y aura des bougies standard avec une luminosité uniforme.
De toute évidence, ces hypothèses n'étaient pas les meilleures. La première constante publiée par Hubble était de 500 kilomètres par seconde par mégaparsec - c'est-à-dire que pour chaque 3,25 millions d'années-lumière qu'il scrutait dans l'espace, l'univers en expansion poussait les galaxies 500 kilomètres par seconde plus rapidement. Ce nombre était incorrect et impliquait que l'univers n'avait que 2 milliards d'années, c'est-à-dire presque sept fois moins qu'on ne le croit aujourd'hui. Mais c'était seulement le début.
En 1949, la construction du télescope de 5,1 mètres de Palomar, dans le sud de la Californie, a été achevée, juste à temps pour la crise cardiaque de Hubble. Il a remis le flambeau à Sandage, un observateur d'atout qui a passé les décennies suivantes à développer des plaques photographiques lors de sessions nocturnes, à travailler avec le télescope géant, tremblant de froid et ayant besoin de pauses.
Grâce à la résolution plus élevée de Palomar et à son pouvoir de collecte de lumière élevé, Sandage a pu pêcher les céphéides de galaxies plus éloignées. Il s'est également rendu compte que les étoiles brillantes de Hubble étaient, par essence, des amas d'étoiles entières. Ils étaient de nature plus brillante et donc beaucoup plus éloignés que ne le pensait Hubble, ce qui, entre autres ajustements, impliquait une constante de Hubble beaucoup plus basse. Dans les années 1980, Sandage s'installe à 50 ans, qu'il défend farouchement. L'un de ses adversaires les plus connus, l'astronome français Gérard de Vaucouleurs, a suggéré une valeur de 50. L'un des paramètres les plus importants de la cosmologie a littéralement doublé.
À la fin des années 1990, Friedman, après avoir survécu aux abus verbaux de Sandage, s'est donné pour tâche de résoudre ce puzzle avec un nouvel outil, comme s'il avait été délibérément conçu pour son travail: le télescope spatial Hubble. Sa vision claire de l'atmosphère a permis à l'équipe de Friedman d'identifier les céphéides 10 fois plus loin que Sandage ne l'a fait avec Palomar. Parfois, dans ces galaxies, il y avait à la fois des céphéides et des balises plus brillantes - des supernovae de type Ia. Ces étoiles naines blanches explosives sont visibles à travers l'espace et éclatent à une luminosité constante et maximale. Calibrées sur les Céphéides, les supernovae peuvent être utilisées seules pour sonder les confins de l'espace. En 2001, l'équipe de Friedman a réduit la constante de Hubble à 72 plus ou moins 8, mettant fin à la querelle Sandage-de Vaucouleurs. «J'étais épuisée», dit-elle. "J'ai pensé,ne retournez jamais travailler sur la constante de Hubble."
Edwin Hubble
Mais alors un physicien est apparu qui a trouvé un moyen indépendant de calculer la constante de Hubble en utilisant le plus éloigné et décalé vers le rouge - le fond micro-ondes. En 2003, la sonde WMAP a publié sa première carte, qui montrait les spectres des fluctuations de température dans le CMB. Cette carte ne fournissait pas une bougie standard, mais un critère standard: un motif de points chauds et froids dans la soupe primordiale, créé par des ondes sonores qui ondulaient dans l'univers du nouveau-né.
En faisant plusieurs hypothèses sur les ingrédients de ce bouillon - sous la forme de particules, d'atomes et de photons familiers, de certaines substances invisibles supplémentaires comme la matière noire et l'énergie noire - l'équipe WMAP a pu calculer la taille physique de ces ondes sonores primordiales. Elle peut être comparée à la taille apparente des ondes sonores enregistrées dans les spots CMB. Cette comparaison a donné la distance au fond micro-ondes et la valeur du taux d'expansion de l'Univers à ce moment initial. En faisant des hypothèses sur la façon dont les particules ordinaires, l'énergie noire et la matière noire ont changé leur expansion depuis lors, l'équipe WMAP a pu aligner la constante sur sa vitesse de balayage actuelle. Ils ont initialement déduit une valeur de 72, selon ce que Friedman a trouvé.
Mais depuis lors, les mesures astronomiques de la constante de Hubble ont montré des valeurs plus élevées, bien que l'erreur ait diminué. Dans des publications récentes, Riess a fait un pas en avant en utilisant une caméra infrarouge installée en 2009 au télescope Hubble, qui peut à la fois déterminer les distances aux céphéides de la Voie lactée et mettre en évidence leurs parents les plus éloignés et les plus rouges parmi les étoiles plus bleues qui entourent normalement les céphéides. Le dernier résultat de l'équipe Riess était de 73,24.
Pendant ce temps, la mission Planck (ESA), qui montrait le CMB en haute résolution et avec une précision de température accrue, s'est arrêtée à 67,8. Selon les lois de la statistique, ces deux grandeurs sont séparées par un écart de 3,4 sigma - pas 5 sigma, ce qui en physique des particules parle d'un résultat significatif, mais presque. «Il est difficile de l'expliquer par une erreur statistique», déclare Chuck Bennett, astrophysicien à l'Université Johns Hopkins qui a dirigé l'équipe WMAP.
Chaque côté pointe un doigt vers l'autre. Georg Ephstatius, le principal cosmologiste de l'équipe de Planck à l'Université de Cambridge, affirme que les données de Planck sont "absolument inébranlables". Une nouvelle analyse des résultats de Planck en 2013 l'a fait réfléchir. Il a téléchargé les données Riesz et a publié sa propre analyse avec une constante de Hubble inférieure et moins précise. Il pense que les astronomes ont cherché une échelle "sale".
En réponse, les astronomes prétendent effectuer une mesure réelle de l'univers moderne, car la méthode de mesure CMB repose sur de nombreuses hypothèses cosmologiques. S'ils ne convergent pas, disent-ils, pourquoi ne pas changer la cosmologie? Au lieu de cela, «Georg Ephstatius sort et dit:« Je vais repenser toutes vos données »», déclare Barry Mador de l'Université de Chicago, mari et collègue de Friedman depuis les années 1980. Que faire? Le nœud gordien doit être coupé.
Wendy Friedman pensait que son étude de 2001 avait révélé la constante de Hubble, mais la controverse a repris.
Du côté des astronomes, il existe une méthode appelée lentille gravitationnelle. Autour d'une galaxie massive, la gravité elle-même déforme l'espace, formant une lentille géante qui peut déformer la lumière provenant d'une source lumineuse éloignée comme un quasar. Si l'alignement de la lentille et du quasar est certain, la lumière se précipitera sur plusieurs chemins vers la Terre et créera de nombreuses images de la galaxie lenticulaire. Si vous avez de la chance, le quasar changera de luminosité, c'est-à-dire de scintillement. Chaque image clonée scintillera également, mais pas en même temps, car les rayons lumineux de chaque image empruntent des chemins différents à travers l'espace déformé. Le délai entre les scintillements indique la différence des longueurs de trajet; en les faisant correspondre à la taille de la galaxie, les astronomes peuvent utiliser la trigonométrie pour calculer la distance absolue à la galaxie lenticulaire. Seules trois galaxies ont été soigneusement mesurées de cette manière, et six autres sont actuellement à l'étude. Fin janvier, l'astrophysicienne Sherri Suyu de l'Institut Max Planck d'Astrophysique en Allemagne et ses collègues ont publié leurs meilleurs calculs de la constante de Hubble. «Notre dimension correspond à l'approche de la distance par échelle», déclare Suyu.
Pendant ce temps, les cosmologistes ont aussi des atouts dans leur manche: les oscillations acoustiques baryoniques (BAO). Au fur et à mesure que l'univers mûrit, les mêmes ondes sonores qui ont été imprimées sur le CMB ont laissé des amas de matière qui se sont transformés en amas galactiques. L'emplacement des galaxies dans le ciel doit conserver les rapports originaux des ondes sonores et, comme auparavant, la comparaison du motif apparent avec sa taille réelle calculée détermine la distance. Comme la méthode CMB, la méthode BAO permet de faire une hypothèse cosmologique. Mais depuis quelques années, il a maintenu les valeurs de la constante Hubble à égalité avec Planck. La quatrième itération du Sloan Digital Sky Survey, une étude mondiale du ciel qui cartographie la carte galactique, aidera à affiner ces mesures.
Cela ne signifie pas que les équipes en compétition pour l'échelle des distances et le CMB attendent simplement d'autres moyens de résoudre le différend. Pour solidifier les fondations de l'échelle de distance, la distance aux Céphéides dans la Voie Lactée, la mission Gaia de l'Agence spatiale européenne tente de déterminer les distances exactes à un milliard d'étoiles proches différentes, y compris les Céphéides. Gaia, qui tourne autour du Soleil en dehors de la Terre, utilise la mesure la plus fiable: la parallaxe, ou le déplacement apparent des étoiles par rapport au fond du ciel, lorsque le vaisseau spatial atteint des points opposés sur son orbite. Lorsque l'ensemble de données Gaia sera publié en 2022, il fournira une base supplémentaire pour la confiance des astronomes. Riess a déjà trouvé des indices en faveur de sa constante de Hubble plus élevée lorsqu'il a utilisé les résultats préliminaires de Gaia.
Les cosmologistes espèrent également consolider leurs mesures avec le télescope cosmologique Atacama au Chili et le télescope du pôle sud, qui peuvent tester les résultats de haute précision de Planck. Et si les résultats refusent de converger, alors les théoriciens essaieront de combler l'écart. «C'est bien quand le modèle plante. La validation du modèle n'est pas intéressante."
Par exemple, on pourrait ajouter une particule supplémentaire au modèle standard de l'univers. Le CMB propose une estimation du budget énergétique total peu de temps après le Big Bang, lorsqu'il était divisé en matière et rayonnement de haute énergie. Comme il ressort de la célèbre formule d'équivalence d'Einstein E = mc2, l'énergie agissait comme de la matière, ralentissant l'expansion de l'espace avec sa gravité. Mais la matière est un frein plus efficace. Au fil du temps, le rayonnement - photons de lumière et autres particules lumineuses comme les neutrinos - s'est refroidi et a perdu de l'énergie, l'effet gravitationnel s'est affaibli.
Trois types de neutrinos sont actuellement connus. S'il y en avait un quatrième, comme le suggèrent certains théoriciens, il y en avait un peu plus du côté des radiations dans le bilan énergétique d'origine de l'univers, et cette partie se dissiperait plus rapidement. Ceci, à son tour, signifierait que l'univers primitif se développait plus rapidement que la liste des ingrédients de la cosmologie moderne ne le prédit. À l'avenir, cet ajout pourrait concilier deux résultats différents. Mais les détecteurs de neutrinos n'ont pas encore révélé d'indices de neutrinos de type 4, et les autres mesures de Planck ont limité la quantité totale de rayonnement excédentaire.
Une autre option est la soi-disant énergie sombre fantôme. Les vrais modèles cosmologiques signifient une puissance constante par l'énergie sombre. Si l'énergie sombre devient plus forte avec le temps, cela expliquerait pourquoi le cosmos se développe plus rapidement aujourd'hui qu'on ne le penserait en regardant l'univers primitif. Cependant, l'énergie sombre variable semble complètement redondante. Les cosmologistes et les astrophysiciens ont tendance à croire que les problèmes résident dans les méthodes existantes plutôt que dans la nouvelle physique.
Friedman pense que la seule solution - combattre le feu par le feu - réside dans de nouvelles observations de l'univers. Avec Mador, ils se préparent à effectuer une mesure séparée, calibrée non seulement pour les céphéides, mais aussi pour d'autres types d'étoiles variables et de géantes rouge vif. Les exemples les plus proches peuvent être étudiés à l'aide d'un télescope automatique de 30 centimètres de large, et les plus éloignés permettront d'explorer les télescopes spatiaux Hubble et Spitzer. Une fois qu'elle a été en mesure de faire face au sombre et tumultueux Sandage, elle est prête à relever le défi audacieux de l'équipe Planck et Riesz.
«Ils ont dit que nous avions tort. Eh bien, voyons voir », plaisante-t-elle.
ILYA KHEL
