Expansion de l’Univers : « Tout indique que le modèle standard doit être révisé »

De nouvelles mesures de distances semblent confirmer qu’il faudrait peut-être revoir le modèle standard de la cosmologie, qui décrit l’histoire de notre Univers. Des scientifiques expliquent pourquoi, dans une étude présentée par l’Observatoire national de radioastronomie (NRAO, un centre de recherche situé aux États-Unis) le 11 juin 2020.

« 90 ans après les travaux fondateurs de Hubble, la cosmologie observationnelle reste concentrée sur le fait d’obtenir une valeur précise et exacte de la constante de Hubble, H₀ », rappellent les auteurs. En 1929, l’astronome américain Edwin Hubble a publié une loi, qui fait office de première preuve du phénomène connu sous le nom d’expansion de l’Univers. L’observation des galaxies montre qu’elles semblent s’éloigner de nous et que, plus elles sont lointaines, plus elles paraissent s’éloigner vite. Ce ne sont pas les galaxies qui s’écartent les unes des autres, mais l’Univers lui-même qui se dilate.

Pour aller plus loin

Pourquoi est-il si important de savoir à quelle vitesse l’Univers s’étend ?

Une image pour comprendre le principe de l'expansion de l'Univers.

Source : Wikimedia/CC/Raude (image modifiée)

Des valeurs incompatibles pour la constante de Hubble

La constante de Hubble donne le taux d’expansion de l’Univers, à un instant donné. Il est possible de l’obtenir de plusieurs façons : soit de façon localisée (en utilisant des « chandelles standard », soit des objets astronomiques dont la luminosité est connue), soit en utilisant le fond diffus cosmologique. Ce rayonnement fossile, qui a été détecté par le satellite Planck, est la plus ancienne lumière encore présente dans l’Univers. Le modèle standard de la cosmologie permet d’expliquer les observations du fond diffus cosmologique. Néanmoins, la communauté scientifique se heurte à une difficulté : les valeurs mesurées à l’aide de ces deux méthodes sont incompatibles, et aucune solution n’est trouvée.

• La méthode des chandelles standard donne un résultat de 73 à 74 kilomètres par seconde par mégaparsec (unité de longueur utilisée en astronomie, un parsec représentant 3,26 années-lumière),
• La méthode du modèle standard appliqué au fond diffus cosmologique produit une valeur de 67,4.

Qu’apporte la nouvelle étude à cette situation ? Elle ne résout pas la tension entre les deux mesures, mais sous-entend une idée qui a déjà été envisagée : il pourrait être nécessaire de réviser le modèle standard de la cosmologie. Les auteurs constatent que les galaxies sont plus proches que prévu par ce modèle, dans leurs propres calculs. Ils obtiennent une valeur de 73,9 kilomètres par seconde par mégaparsec pour la constante de Hubble.

Une mesure estimée à l’aide de trous noirs

Les chercheurs ont travaillé en utilisant une autre technique de mesure des distances. Ils s’intéressent à des disques d’accrétion situés autour de trous noirs supermassifs, dans des galaxies actives. Selon l’orientation du disque par rapport à notre planète, il est possible d’observer des tâches lumineuses (qui correspondent à des émissions radio), appelées « masers ». Ces signaux permettent de calculer des caractéristiques du disque, y compris sa distance.

Les chercheurs ont travaillé sur plusieurs galaxies qui produisent ces masers, situées à des distances allant de 168 millions à 431 millions d’années-lumière. Leur analyse a été menée avec plusieurs radiotélescopes : le Very Long Baseline Array, le Karl G. Jansky Very Large Array, l’observatoire de Green Bank (États-Unis) ainsi que le radiotélescope d’Effelsberg (Allemagne).

Ces observations ont abouti à une mesure de la constante de Hubble assez différente de celle obtenue à l’aide du modèle standard appliqué au fond diffus cosmologique. Pour James Braatz, astronome au NRAO et co-auteur de l’étude, cité dans le communiqué présentant la découverte, le constat est clair : « Tout indique que le modèle standard doit être révisé ».

Pour aller plus loin

L’univers s’étend plus vite que prévu : qu’est-ce que cela change ?