Rebondissement dans l’énigme de « la tension de Hubble »…

La semaine passée, j’avais évoqué le problème.
 
Mais sans plus, pour parler d’autre chose de fondamentalement plus… intéressant à mon « nerf honteux » à ce moment-là dans cette rubrique de « La Science en marche » de ce blog.
Aussi j’y reviens… car on vit une époque à rebondissement.
 
Comme vous le savez probablement, l’Univers ne peut être plus jeune que les étoiles les plus anciennes qu’il contient. Si l’âge des étoiles les plus anciennes de notre Galaxie peut être mesuré avec une grande précision, une limite inférieure fiable pour l’âge de l’Univers peut alors en être déduite.
Or, la détermination de la fameuse constante de « Hubble-Lemaître » en cosmologie donne deux âges différents pour l’Univers selon que l’on considère l’une ou l’autre des deux principales méthodes pour la mesurer, lesquelles donnent des résultats en désaccord depuis environ une décennie.
 
Aussi, deux équipes d’astrophysiciens se sont mis à chercher une solution – avec vos impôts – et semblent avoir apporté quelques nouveaux éléments aux débats sur toutes sur ces questions.
Comme c’est vous qui financez et que la presse habituelle se préoccupe plus certainement sur ce qu’Untel a dit sur Unetelle au moment du scrutin qui vient de se clore, il est évident qu’il faille que je me charge de répandre la « bonne nouvelle » quand elle parvient jusque sous ma macula…
Car il est une troisième équipe qui s’active.
 
Donc, gGlobalement, depuis la fin des années 1990, nous sommes entrés dans l’ère de la précision en cosmologie. Avant, c’était un peu « l’approximation » qui dominait en ce domaine : Il faut dire que ça n’avait aucune valeur marchande pour fabriquer plus facilement un burger, soyons honnêtes, donc sans intérêt précités.
Mais cette recherche de précision était d’autant plus vraie depuis les résultats de la mission Planck – financé par vos impôts – concernant le rayonnement fossile et ceux, toujours en cours, de la mission Gaïa dans le domaine de l’astrométrie.
Cette dernière nous permet d’ailleurs d’affiner notre détermination des distances dans le cosmos en améliorant les mesures de parallaxe des étoiles dans la Voie lactée et, ce faisant, des caractéristiques des étoiles variables que sont les céphéides dans notre Galaxie, lesquelles permettent ensuite de mesurer les distances des galaxies proches en se servant de ces étoiles comme « chandelles standard », dans le jargon des astrophysiciens.
On use aussi des quasars, comme des phares pour ne pas se perdre…
 
Aussi la calibration précise de ces « chandelles standards » permet ensuite de calibrer celles que constituent les « supernovæ SN Ia » dans des galaxies bien plus lointaines.
Pour rappel, pour une luminosité intrinsèque connue d’un astre, plus il est loin, moins il apparaîtra lumineux (logique) et ce selon une loi bien précise.
Inversement, la connaissance de la luminosité apparente donne donc la distance quand on connaît la luminosité intrinsèque de l’élément observé.
 
On dispose ainsi donc (et par conséquent) de ce que les cosmologistes appellent une « échelle de distance » avec plusieurs méthodes qui prennent appui les unes sur les autres pour déterminer les distances dans le cosmos et étudier, en bonus, la loi de l’expansion de l’Univers observable dans le cadre de la théorie de la relativité générale.
On en a déjà parlé dans ce blog, tellement cela reste un sujet passionnant à l’échelle humaine qui oblige à la plus profonde humilité…
Mais chaque méthode a sa limite de précision que l’on peut améliorer, mais qui contribue à une erreur finale de détermination des distances pour des galaxies lointaines.
Et comme vous le savez, les erreurs s’ajoutent les unes aux autres jusqu’à devenir inexploitables…
 
Mais on a pu aussi détecter une accélération de cette expansion depuis environ 5 milliards d’années (je sais : Bous n’étiez pas né(e)s, mais il se trouve que plus on regarde loin, plus, au moins en astronomie, on regarde le passé profond : La lumière chemine à l’allure d’un train de sénateur quand il s’agit de longue distance…).   
Alors qu’on croyait cette expansion en décélération depuis le Big Bang conformément aux équations de la thermodynamique, eh bien curieusement ce n’est pas le cas, selon les calculs et les observations réalisées jusque-là.
Sauf erreur, cela suggère la présence d’une mystérieuse « énergie noire » dans les équations d’Einstein, sous la forme de ce que l’on connaît depuis un siècle sous le nom de « constante cosmologique » (inventée par le vénéré grand-homme de la discipline, justement pour faire coller ses calculs avec les observations), une énergie qui se comporte paradoxalement comme la source d’une sorte de gravitation répulsive plutôt qu’attractive.
Il se trouve que ça fait heureusement circuler la matière visible de façon identique, qu’on pousse d’un côté ou qu’on tire du côté opposé, mais puisque la gravité agit entre deux corps, au moins depuis Newton, en fonction du rapport des masses, mais sur le carré des distances, normalement, plus un objet est lointain, moins il attire, en tout cas il ne répulse pas plus fort… ce qui n’est pas ce qui est observé !
 
Donc, la loi de l’expansion de l’espace dans la théorie d’Einstein fait introduire ce que l’on appelle la « constante de Hubble-Lemaître » et c’est cette constante qui fournit également une estimation de l’âge de l’Univers depuis le Big Bang.
Toujours est-il que cela fait des années maintenant que l’on parle régulièrement, au premier plan de l’actualité politique astronautique, des développements de la cosmologie, de ce qui est appelé la « tension de Hubble ».
Et certains se demandent si elle ne représente pas une crise du modèle cosmologique standard avec matière et énergie noire, suspectant même une crise de la physique fondamentale.
D’où l’importance des subventions reçues (financées par vos impôts) pour tenter de régler ce problème vital pour l’espèce humaine !
 
Cette « tension », non pas artérielle mais cosmique, est en effet potentiellement la manifestation de la nature de l’énergie noire affectant outrageusement l’expansion de l’espace observable.
Or, justement, le destin de l’Univers, à n’en pas douter, dépend forcément de la nature précise de l’énergie noire.
Et la « tension de Hubble » correspond à ce désaccord de plus en plus significatif aux erreurs de mesure près entre deux méthodes importantes de détermination d’une constante notée « H0 », qui intervient de façon fondamentale dans la fameuse loi de « Hubble-Lemaître » permettant de relier la distance d’une galaxie au décalage spectral de la lumière qu’elle émet.
 
Cette constante est donc un paramètre fondamental du modèle cosmologique standard que l’on peut évaluer en mesurant précisément les caractéristiques du rayonnement fossile, ce qui a été fait avec la mission Planck.
Les « Planckiens », comme on les appelle, ont ainsi analysé les mesures de Planck (le satellite) avec grand soin, tenant compte de plusieurs sources d’erreurs possibles.
Ainsi d’autres avaient entrepris de mesurer, aussi précisément que possible, la constante de « Hubble-Lemaître » en utilisant le télescope Hubble, puis le JWST pour étudier notamment les explosions de « supernovæ SN Ia » dans des galaxies de plus en plus lointaines.
Sauf que là on trouvait encore une valeur différente.
En fait, comme on vient de le dire, depuis environ 10 ans, l’écart se creuse entre ces mesures obtenues par deux méthodes, à savoir l’étude du rayonnement fossile, le fond diffus cosmologique, donnant « H0 » = 67,4 ± 0,5 km s⁻¹ Mpc⁻¹, et les « supernovæ H0 » donne = 73,0 ± 1,0 km s⁻¹ Mpc⁻¹.
En bref, ça ne colle pas !
 
De plus, de vieilles étoiles âgées de 13,6 milliards d’années doivent nécessairement être des étoiles naines peu massives pour avoir vécu aussi longtemps.
Or, mes toutes premières étoiles après le Big Bang, dites de population III, devaient être si massives qu’elles ont explosé en supernovæ après quelques millions d’années de vie tout au plus.
Du coup, il semble que l’on assiste aujourd’hui à un nouveau rebondissement avec la saga de l’énigme de « tension de Hubble » principalement à cause des travaux de chercheurs de l’Université de Bologne, en « Ritalie », en conjonction avec ceux de membres de l’Institut Leibniz d’astrophysique de Potsdam, en « Teutonnie-d’Outre-Rhin ».
C’est important, parce qu’en plus, ce ne sont pas « mes » impôts, mais ceux d’autres volontaires à l’anarque fiscale (un « truc » qui a bien pris à travers le monde…) 
Et comme ils le montrent dans au moins deux articles, ces astrophysiciens se sont appuyés sur des données de la mission Gaïa concernant de multiples informations sur la luminosité, la position et la distance de plus de 200.000 étoiles de la Voie lactée.
 
Plus précisément, le groupe de cosmologie de l’Université de Bologne s’est appuyé sur les travaux du groupe « d’archéologie stellaire » de leur université portant sur un catalogue des déterminations de l’âge de ces « plus de 200. 000 étoiles », en combinaison avec la théorie aussi bien analytique que numérique de l’évolution des étoiles – théorie qui permet de calculer l’âge de ces astres à partir d’observations.
Du travail sérieux…
L’idée était de tenter de contribuer aux tentatives pour trancher laquelle des déterminations de la constante de « Hubble-Lemaître » est correcte en mesurant avec plus de précision l’âge des plus vieilles étoiles.
 
En effet, bien que l’on ne sache pas exactement quand les premières étoiles sont nées et que la détermination de l’âge des étoiles observées ne soit pas non plus exempte d’erreurs, on peut penser a priori qu’une comparaison entre les âges des étoiles obtenus en utilisant Gaïa et les âges de l’Univers fournis par les données de Planck ainsi que celles concernant les « supernovæ SN Ia » pourrait faire pencher la balance en faveur d’une des deux déterminations de la constante de « Hubble-Lemaître ».
Que nenni, pensez donc !
 
Car il fallait pour cela sélectionner dans les 200.000 étoiles un échantillon présentant les estimations d’âge les plus fiables. Soit au bout du compte avec un « échantillon final d’une centaine d’étoiles, l’âge le plus probable est d’environ 13,6 milliards d'années. Cet âge est trop ancien pour être compatible avec l’âge de l’Univers déduit des céphéides et des supernovæ (à moins de modifier d’autres paramètres des modèles cosmologiques), mais il concorde bien avec l’âge cosmique déduit du fond diffus cosmologique ».
Rassuré(e)s ?
 
Parce que c’est ce qui fait dire à la sémillante Elena Tomasetti Bolognaise et première auteure de l’étude : « Ce projet illustre parfaitement comment la combinaison d’expertises issues de différents domaines peut ouvrir de nouvelles perspectives sur des questions fondamentales. Mesurer l’âge des étoiles est, en soi, un défi complexe, mais nous vivons désormais à une époque où la quantité et la qualité des données disponibles nous permettent d’atteindre une précision sans précédent et, pour la première fois, des résultats statistiquement significatifs. Avec la prochaine publication des données de Gaïa à l’horizon, l’âge des étoiles pourrait devenir un pilier fondamental de la cosmologie. »
Personnellement, j’en suis ravi (et je voulais partager ce ravissement-là…)
 
Résultats de ces travaux, d’après la médaille d’or 2020 du CNRS : « C’est un beau travail, qui apporte grâce à Gaïa plus de précision sur l’âge des étoiles les plus vieilles de la Voie lactée. Il est certain qu’il y a 30 ans, c’était une contrainte très valable pour l’âge de l'Univers, qui était trop petit. Par contre, depuis 1998, nous avons découvert l’énergie noire et l’accélération de l’expansion, et donc, l’âge de l’Univers a considérablement augmenté, (avec le même H0) et il est devenu supérieur à l’âge des plus vieilles étoiles. Il n’y a plus de contradiction. Maintenant, nous ne savons pas quand les premières étoiles de la Voie lactée sont nées, après quel laps de temps après le Big Bang, donc l’âge des étoiles n’est plus une contrainte cosmologique ».
Limpide, quoi !
 
D’un autre côté, d’autres scientifiques (subventionnés) ont découvert que l’univers local pourrait s’étendre plus lentement qu’on ne le pensait auparavant.
Pour résumer, la « tension de Hubble » découlait finalement du fait que l’observation de l’univers local fournit une valeur différente de la constante de Hubble de celle dérivée du fond cosmologique micro-ondes (CMB), la première lumière de l’univers, qui a brillé peu après le Big Bang.
Les astronomes qui effectuent des mesures de CMB avancent en utilisant le modèle standard de cosmologie, le modèle dit de matière noire froide Lambda (LCDM).
Et comme nous l’avons vu ci-avant, l’écart persiste même si les deux techniques de mesure distinctes deviennent plus précises.
Cela suggère fortement qu’un ingrédient crucial de la physique manque à notre recette du cosmos.
D’où peut-être la nécessité d’une troisième méthode pour aider à combler cette disparité, ou du moins pour éclairer son existence.
 
En fait, les deux premières équipes se rejoignent quant à leurs conclusions en examinant deux groupes de galaxies, le groupe Centaurus A (l’un des plus proches de nous, à l’exception du groupe local de la Voie lactée), et le groupe M81.
Plutôt que d’utiliser des observations de supernovæ de type « Ia » proches ou le fossile cosmique de la première lumière de l’univers représenté par le CMB pour mesurer la constante de Hubble, ces chercheurs-là ont utilisé le mouvement de ces galaxies regroupées sous l’équilibre entre l’influence attrayante de la gravité et l’effet répulsif de l’expansion de l’univers.
Et là, les astronomes ont constaté que les dizaines de petites galaxies qui composent le groupe Centaurus A ne sont en réalité pas dominées par la gigantesque galaxie elliptique du même nom. Au contraire, cette galaxie forme en réalité une binaire avec la galaxie M83 du groupe.
 
De son côté, le groupe M81 était déjà compris comme ayant des galaxies binaires (M81 et M82) en son cœur. Et les dernières recherches ont révélé que, bien que la structure de ce groupe soit soigneusement organisée, la région intérieure d’environ 1 million d’années-lumière est inclinée d’environ 34 degrés par rapport à son environnement plus large.
Et qu’à une distance d’environ 10 millions d’années-lumière, l’orientation du groupe M81 s’aligne avec celle d’une vaste structure de matière en forme de feuille qui s’étend jusqu’au groupe Centaurus A.
 
Les deux équipes de scientifiques ont également découvert que, en plus du fait que les deux groupes de galaxies partagent un environnement similaire, les masses des galaxies les plus brillantes de ces groupes représentent la majeure partie de la masse totale.
Ainsi, les mouvements de toutes les galaxies au sein des groupes peuvent être considérés comme le résultat de l’interaction entre l’influence gravitationnelle de ces galaxies brillantes et le flux cosmique de l’univers en expansion.
 
Et je suis très heureux que vous faire savoir qu’encore d’autres scientifiques viennent d’obtenir la vision la plus claire de cet univers sombre à ce jour : « Maintenant, le rêve est devenu réalité » !
Car tout cela signifie que, contrairement aux prédictions des simulations cosmiques, les groupes de galaxies n’ont pas besoin d’être intégrés dans un vaste halo de matière noire omniprésent exerçant son influence gravitationnelle.
Les équipes impliquées dans cette recherche sont arrivées à une valeur constante de Hubble de 64 km/s/Mpc : Cela a laissé entendre aux « trouveurs » qu’une partie de la « tension de Hubble » est causée par les méthodes utilisées pour mesurer… la constante de Hubble !
Cela pourrait signifier qu’un élément supplémentaire, actuellement inconnu, du cosmos n’est pas nécessaire pour dissiper la « tension autour de Hubble » : « Nous pouvons compléter cette recette cosmique avec les ingrédients que nous avons sous la main. »
 
Bien sûr, il reste encore beaucoup de chemin à parcourir avant que cette méthode ne renverse les paradigmes existants. Avec la technique appliquée à seulement deux groupes de galaxies locaux, la tension de Hubble risque d’être un casse-tête pour au moins un peu plus longtemps.
L’étape suivante de cette étude (si elle trouve ses financements détournés de la lutte contre la faim dans le monde ou l’assistance aux victimes des guerres et conflits) sera d’appliquer cette technique d’étude des groupes de galaxies à une région plus large de l’espace au sein de notre univers local.
Cela pourrait devenir possible lorsque des observations de groupes de galaxies à de plus grandes distances seront disponibles dans la prochaine publication de données du télescope spectroscopique multi-objet de 4 mètres (4MOST).
 
Ça méritait effectivement de vous être indiqué…
 
Bon début de semaine à toutes et à tous !
 
I³
 
Pour mémoire (n’en déplaise à « Pal-Poux-tine ») : « LE PRÉSENT BILLET A ENCORE ÉTÉ RÉDIGÉ PAR UNE PERSONNE « NON RUSSE » ET MIS EN LIGNE PAR UN MÉDIA DE MASSE « NON RUSSE », REMPLISSANT DONC LES FONCTIONS D’UN AGENT « NON RUSSE » !
Post-scriptum : Alexeï Navalny est mort en détention pour ses opinions politiques. Les Russes se condamnent à perpétuité à en supporter toute la honte !
Постскриптум: Алексей Навальный умер в заключении за свои политические взгляды. Россияне обрекают себя на всю жизнь нести весь позор!
Parrainez Renommez la rue de l'ambassade de Russie à Paris en rue Alexeï Navalny (change.org)