Figure d’artiste. Pour la première fois, l’équipe du projet Araucaria a déterminé la distance du Grand Nuage de Magellan avec une précision de 1 %. Cette précision est comparable par exemple à celle que l’on peut atteindre en mesurant la taille d'une personne à une longueur de cheveu près, à la « simple » différence que dans le cas du GNM, la distance mesurée correspond à 162.000 années-lumière, soit 1,53 milliard de milliards de kilomètres. © CNRS, Insu

Sciences

Énergie noire : Hubble confirme une accélération de l'Univers qui défie la cosmologie

ActualitéClassé sous :cosmologie , énergie noire , matière noire

Le prix Nobel de physique Adam Riess, codécouvreur de l'accélération récente de l'expansion du cosmos observable, vient de confirmer un résultat qu'il clame depuis quelques années. Il y a un conflit entre la détermination de cette accélération déduite des observations de Hubble et celle déduite du rayonnement fossile étudié avec le satellite Planck. Une nouvelle physique est probablement à l'œuvre qui nécessitera de changer une partie du modèle cosmologique standard.

De 1998 et 1999, les travaux des équipes menées par les prix Nobel de physique Saul Perlmutter et Adam Riess ont fait exploser une bombe en cosmologie. En étudiant des populations de supernovae SN Ia, les deux chercheurs et leurs collègues ont alors fait la découverte de l'accélération de l'expansion de l'Univers observable depuis quelques milliards d'années alors que le modèle cosmologique standard de l'époque prévoyait une décélération.

Parler d'une découverte d'une accélération et non pas de l'existence de l'énergie noire est d'importance car on peut avoir la première sans la seconde. Admettons tout de même que l'énergie noire se cache bel et bien derrière la fameuse constante cosmologique d'Einstein que l'on a donc réintroduit dans les équations de la cosmologie relativiste. Plusieurs questions se posent alors. Quelle est bien sûr la nature de cette énergie ? Est-elle vraiment constante dans le temps ou peut-elle varier ? Découvrir que la constante cosmologique n'est en fait pas constante serait d'une importance cruciale car il existe des dizaines de propositions théoriques basées, par exemple, sur des théories de supergravité ou de supercordes, qui expliquent la nature de l'énergie noire et impliquent qu'elle varie dans le temps.

Pour tenter de répondre à ces questions, qui peuvent également nous aider à prédire quel sera le futur de l'Univers, Adam Riess effectue depuis des années de nouvelles observations avec le télescope Hubble. Mais au lieu de se concentrer sur l'étude des supernovae de type SN Ia, les astronomes sont retournés étudier un vieux sujet en astronomie, celui des céphéides. Il en a résulté une publication disponible en accès libre sur arXiv dans laquelle les chercheurs enfoncent le clou sur ce que Adam Riess affirme depuis plusieurs années. Il y a un sérieux désaccord entre la valeur de la constante de Hubble que l'on trouve dans la célèbre loi de Hubble-Lemaître telle qu'on l'estime avec des étoiles variables, comme les SN Ia et les céphéides, et celle déduite des observations tout aussi solides du rayonnement fossile par la mission Planck.

En cosmologie, on parle de l'échelle des distances cosmiques pour désigner un ensemble de méthodes qui prennent appui les unes sur les autres pour déterminer de proche en proche les distances des astres dans le cosmos observable. Tout commence avec des mesures de parallaxe dans le Système solaire, c'est-à-dire des angles que fait une étoile proche sur la voûte céleste à deux périodes de l'année. La géométrie du triangle permet alors de déduire une distance si les angles sont assez grands pour être mesurables. © HubbleESA

La problématique de l'échelle des distances cosmiques

Quelques rappels pour comprendre de quoi il en retourne et qui donnent des explications concernant la vidéo, ci-dessus, qui illustre ce qui est expliqué ci-dessous.

Les céphéides sont des étoiles variables particulières qui voient leur luminosité changer au cours du temps avec une période donnée. C'est en 1912, en étudiant les céphéides du Petit Nuage de Magellan, que Henrietta Leavitt découvrit que cette période était corrélée à leur magnitude apparente moyenne. Plus elles sont lumineuses et plus lentement elles varient. On pouvait donc espérer déduire la luminosité intrinsèque d'une céphéide en mesurant sa période. La méthode a été étalonnée grâce aux céphéides proches dont la distance pouvait être évaluée par la méthode de la parallaxe qui permet d'estimer les distances des étoiles les plus proches dans la Voie lactée. Il était dès lors possible de déduire la distance de céphéides plus lointaines directement de leur rythme de variation d'éclat. En effet, plus une étoile est loin, moins elle apparaît lumineuse mais si l'on connaît sa luminosité intrinsèque, on peut estimer sa distance.

Les céphéides sont ainsi devenues des sortes de chandelles standard permettant d'évaluer la distance séparant la Voie lactée des galaxies, là aussi les plus proches, comme Andromède ou le Grand Nuage de Magellan. Edwin Hubble se servit de la relation de Henrietta Leavitt d'abord pour découvrir l'expansion de l'Univers et ensuite étalonner la loi de Hubble-Lemaître reliant la distance d'une galaxie avec son décalage spectral.

Pour mesurer des distances encore plus lointaines dans l'Univers lointain, il est possible d'utiliser un autre type d'étoiles qui ne sont pas exactement des chandelles standard mais qui peuvent servir de bons indicateurs de distance. Ce sont les supernovae SN Ia.

Ces astres résultent de l'explosion de naines blanches dans un système binaire. La luminosité d'une SN Ia ne peut pas s'écarter beaucoup d'une certaine valeur moyenne, et comme elle peut représenter celle de centaines de milliards d'étoiles, on peut les voir de loin. En se servant des céphéides, on peut étalonner une relation donnant la luminosité apparente d'une SN Ia avec sa distance. Connaissant son décalage spectral vers le rouge, on peut alors relier sa distance à ce décalage et, par la loi de Hubble-Lemaître, à la vitesse d'expansion de l'Univers à une date donnée de son histoire (puisque observer loin, c'est observer tôt).

C'est en dressant la courbe reliant le décalage spectral des SN Ia avec leur luminosité apparente que Riess, Perlmutter et leurs collègues ont découvert l'expansion accélérée de l'Univers.

Malheureusement, l'étalonnage des relations luminosité-distance des céphéides avec la méthode de la parallaxe n'est pas exempt d'erreurs et celui des SN Ia non plus. Ces erreurs s'accumulent donc sur l'échelle des distances et la fameuse constante de Hubble mesurant l'expansion de l'Univers n'était connue, jusqu'à récemment, qu'avec une précision de l'ordre de 10 % en 2001 puis 5 % en 2009. Cela était suffisant pour détecter la présence d'une énergie noire se comportant comme la constante cosmologique d'Einstein. Mais, il est évidemment difficile dans ces conditions de mettre en évidence une éventuelle dérive faible de la valeur de la densité de l'énergie noire dans le passé de l'Univers.

Une nouvelle physique révélée par les céphéides ?

Adam Riess et ses collègues ont donc entrepris de lancer il y a quelques années le projet Shoes (Supernova H0 for the Equation of State) afin de mesurer plus précisément les caractéristiques des nombreuses céphéides pour augmenter la précision des mesures en cosmologie. Pour cela, tout dernièrement, ils ont observé avec ce projet environ 70 céphéides regroupées dans des amas stellaires à l'intérieur du Grand Nuage de Magellan. Ces observations ont été combinées avec celles des membres du projet Araucaria, une équipe internationale d'astronomes qui s'est donné comme but de déterminer plus précisément la distance du Grand Nuage de Magellan.

Pour tout savoir sur la matière et l’énergie noires, mais aussi sur la première image jamais obtenue d’un trou noir situé à 53 millions d'années-lumière de la Terre, suivez la masterclass de David Elbaz, astrophysicien au CEA ! Ce cours est accessible dès la terminale S. © CEA Recherche

Le résultat final est triple. Tout d'abord on connaît maintenant la valeur de la constante de Hubble avec une précision de 1,9 % et surtout, la probabilité que la valeur obtenue, soit un effet des fluctuations statistiques (inévitables dans tout échantillonnage d'une population), est passée de 1/3.000 à 1/100.000, un résultat beaucoup plus robuste.

La valeur trouvée avec Hubble est alors de 74,03 kilomètres par seconde par mégaparsec, or celle déterminée avec le satellite Planck est de 67,4 kilomètres par seconde par mégaparsec. Le conflit semble donc certain puisque les membres de la collaboration Planck ont effectué un travail de détermination tout aussi solide. 

Il semble de plus en plus probable que l'on va devoir faire intervenir de la nouvelle physique pour résoudre cette contradiction. La théorie du Big Bang n'en sera certainement pas invalidée mais notre compréhension de la nature de l'énergie noire et peut-être aussi de la matière noire très probablement.

  • Depuis 2016, les résultats s'accumulent et se renforcent en ce qui concerne un désaccord entre la valeur de l'accélération de l'expansion de l'Univers observable déduite de l'étude du rayonnement fossile et celle déduite de l'étude des étoiles variables comme les céphéides.
  • Ce désaccord ne semble pas dû à une fluctuation statistique dans des échantillons de ces étoiles, ce qui pointe probablement vers la nécessité d'introduire une nouvelle physique, mais laquelle ?
  • Sans remettre en cause la théorie du Big Bang, on peut penser qu'il faudra changer nos idées sur la matière noire ou l'énergie noire.
Pour en savoir plus

Énergie noire : l’univers accélère plus vite que prévu et défie les cosmologistes

Article de Laurent Sacco publié le 30/01/2017

Dans le cadre du modèle cosmologique standard, l'énergie noire est une vraie constante cosmologique qui ne varie pas dans le temps. Mais une nouvelle estimation de la vitesse d'expansion de l'univers observable remet cette hypothèse en question. Plus généralement, elle suggère qu'il faudrait modifier le modèle cosmologique à l'aide d'une nouvelle physique.

Il y a presque un an, Futura-Sciences avait demandé l'avis du cosmologiste français Alain Blanchard au sujet d'une annonce faite par le prix Nobel de physique Adam Riess. En compagnie de ses collègues, il avait obtenu une nouvelle valeur de la mythique constante de Hubble. Pour cela, ils avaient utilisé les fameuses étoiles variables que sont les Céphéides, observées avec le télescope spatial Hubble. Or la valeur mesurée était un peu plus élevée que celle déduite de l'analyse des données collectées par Planck en observant le rayonnement fossile.

Astrophysiciens et cosmologistes se sont alors brusquement retrouvés confrontés au dilemme suivant, selon Alain Blanchard :  « soit, on croit aux mesures de la constante de Hubble par Riess, et aux mesures de Planck, et alors on a le signe d'une nouvelle physique, soit il y a une des données qui est un peu biaisée... ».

Le chercheur nous avait ensuite expliqué que, selon lui, cette problématique - nouvelle physique ou biais dans les analyses - allait probablement être très présente en cosmologie au cours des prochaines années.

Une vidéo expliquant le principe de la démultiplication des images d’un quasar par le champ de gravitation d’une galaxie déviant les rayons lumineux. © Royal Astronomical Society, ESA, Nasa

Une salve de publications sur arXiv provenant de la collaboration HOLiCOW, un projet international en cosmologie mené par l'École polytechnique fédérale de Lausanne (EPFL) et le Max Planck Institute, vient confirmer tout à la fois la découverte d'Adam Riess et ses collègues, ainsi que la prédiction d'Alain Blanchard. Une nouvelle mesure de la vitesse de l'expansion de l'univers, en utilisant l'effet de lentille gravitationnelle forte des galaxies sur plusieurs quasars, conduit à nouveau à un conflit avec la mesure de la constante de Hubble fournie par Planck. Mieux, les membres de HOLiCOW retrouvent par une méthode indépendante une valeur proche de celle déduite de l'étude des Céphéides avec, cette fois-ci, une précision de 3,8 %.

Des quasars comme sonde cosmologique 

Pour aboutir à ce résultat, les astrophysiciens ont travaillé dans la cadre du programme COSmological MOnitoring of GRAvItational Lenses (COSMOGRAIL) qui utilise principalement le télescope suisse de 1,2 m situé dans les Andes chiliennes, à proximité des observatoires de l'ESO. L'idée de base a consisté à mesurer des décalages de fluctuations de luminosité dans les multiples images de cinq quasars ayant subi un effet de lentille gravitationnelle. La méthode est plus directe que celles utilisées pour déduire du rayonnement fossile la valeur de la constante de Hubble. Elle repose sur moins d'hypothèses et donc de sources d'erreurs possibles à prendre en compte. Elle est donc plus robuste.

Une vidéo illustrant les décalages dans les fluctuations de luminosité des images d’un quasar avec un fort effet de lentille gravitationnelle. © Royal Astronomical Society, ESA, Nasa

Il y a de bonnes raisons de penser que les quasars sont en réalité des trous noirs supermassifs rendus très lumineux par l'accrétion d'importantes quantités de matière. Leur luminosité fluctue en raison même de la physique des processus liés à l'accrétion et à la génération de rayonnement. Une galaxie massive qui s'interpose entre ce rayonnement et nous va dévier, en raison de son champ de gravitation, les rayons lumineux de sorte qu'ils ne suivront pas les mêmes chemins et ne parcourront pas les mêmes distances. Qualitativement et quantitativement, les temps de parcours sont affectés par l'expansion de l'univers observable et, au final, l'effet de lentille gravitationnelle va se manifester par des images d'un même quasar qui vont varier en luminosité avec des décalages dans le temps. Il est donc possible de déduire de ces décalages, une vitesse d'expansion et donc, la constante de Hubble.

Au final, on trouve une valeur d'environ 72 km par seconde par mégaparsec (un mégaparsec représente environ 3,3 millions d'années-lumière). Le conflit avec les analyses des mesures du rayonnement fossile est désormais plus aigu car avec les Céphéides, il y a deux méthodes de mesure différentes, donc ne partageant pas les mêmes biais expérimentaux possibles qui aboutissent à un résultat comparable.

S'il n'y a pas d'erreur dans les mesures de Planck, il est possible qu'il faille reconsidérer certaines des hypothèses admises concernant le modèle standard en cosmologie mais aussi, et peut-être surtout, en physique des particules. La constante cosmologique n'est peut-être pas une vraie constante, ce qui a des implications sur la nature de l'énergie noire. Ou peut-être existe-t-il une nouvelle famille de neutrinos, une famille qui pourrait, cette fois, nous renseigner sur la nature de la matière noire.


L'univers accélère trop fort : l'astrophysicien Alain Blanchard nous donne son avis

Article de Laurent Sacco publié le 15/04/2016

Des mesures fines effectuées avec Hubble, qui montrent une accélération de l'expansion trop forte, jettent un doute sur le modèle cosmologique standard. Peut-être faut-il réviser nos idées sur l'énergie noire, dont l'un des découvreurs, le prix Nobel de physique Adam Riess, fait partie de l'équipe qui présente cette étude. Varie-t-elle dans le temps ? Ou bien doit-on donner du poids à l'hypothèse des neutrinos stériles ? L'astrophysicien Alain Blanchard nous donne son avis.

La nature de l'énergie noire, que l'on peut décrire en ajoutant aux équations de la relativité générale un terme baptisé « constante cosmologique », fascine probablement plus les théoriciens que celle de la matière noire. C'est d'elle que dépend le destin ultime de notre univers observable parce que c'est elle qui contrôle son expansion.

L'hypothèse la plus naturelle, peut-être la plus économe, consiste à l'interpréter comme la manifestation de l'état d'énergie minimale des champs de matières et de forces quantiques. Elle se comporte alors comme une vraie constante dans les équations d'Einstein, ce qui veut dire que sa valeur ne devrait pas changer dans l'espace ni dans le temps. Si tel est le cas, l'univers devrait continuer son expansion accélérée à tout jamais et, d'ici 3.000 milliards d’années, il sera méconnaissable. Ce ne sera peut-être pas sa fin si l'on croit à la théorie de la cosmologie conforme cyclique proposée par Roger Penrose.

Mais si l'énergie noire est la manifestation d'une nouvelle physique, avec par exemple un ou plusieurs champs scalaires variables, sa valeur peut évoluer dans le temps et peut-être dans l'espace. Il se peut alors que l'expansion se change en contraction et que le cosmos observable finisse par un Big Crunch, et éventuellement que celui-ci s'accompagne d'un rebond pour une nouvelle phase d'expansion

La constante de Hubble dépend de la nature de l'énergie noire

Or, plusieurs modèles dans lesquels l'énergie noire est variable prédisent que la fameuse constante de Hubble, qui est en quelque sorte une mesure de la vitesse d'expansion de l'univers, doit elle-même varier selon des lois précises, reflétant la nature de l'énergie noire. Cette constante ne l'était d'ailleurs pas vraiment, même en l'absence d'une constante cosmologique, mais c'est en mesurant ses variations dans le temps à l'aide des supernovae que Saul Perlmutter, Adam Riess et Brian Schmidt ont découvert avec leurs collègues la fameuse expansion accélérée de l'univers, et donc la présence de l'énergie noire.

Pour faire le tri entre toutes les lois possibles d'évolution dans le temps de la constante de Hubble, et donc les modèles admissibles d'énergie noire, il faut pouvoir mesurer précisément cette constante. C'est à cette tâche que s'est attelé Adam Riess. Le prix Nobel de physique a pour cela utilisé le télescope Hubble et, comme il l'explique avec ses collègues dans un article déposé sur arXiv, il est tombé sur une énigme.

Les éditions De Boeck ont proposé à l’astrophysicien Richard Taillet d’expliquer dans cette vidéo ce qu’est l’expansion de l’univers et pourquoi les cosmologistes y croient. On apprend ainsi que si l’un de ses principaux découvreurs, Edwin Hubble, ne croyait pas vraiment à l’explication de cette expansion dans le cadre de la théorie de la relativité générale d’Einstein, les observations modernes ne permettent plus d’en douter. L’espace entre les amas de galaxies est bien en expansion à la façon d’une feuille de caoutchouc que l’on étire. © DeBoeckEditions

Une accélération anormalement élevée de l'expansion de l'univers

Rappelons qu'en astrophysique, plus précisément en cosmologie, les échelles de distance sont déterminées à l'aide d'une série de méthodes qui prennent appui les unes sur les autres, de sorte que les différentes erreurs de mesures s'additionnent quand les distances des astres considérés augmentent. On utilise notamment des étoiles variables, les Céphéides, pour déterminer les distances des galaxies les plus proches. Cela permet d'étalonner en particulier d'autres « chandelles standards », en l'occurrence, des supernovae SN Ia. Très lumineuses, elles sont visibles à des milliards d'années-lumière. Ces explosions gigantesques sont censées avoir à peu près toutes la même puissance. Par conséquent, moins elles apparaissent lumineuses, plus elles sont loin. En mesurant les luminosités apparentes de plusieurs SN Ia, on a donc déterminé des distances. Leur décalage spectral vers le rouge indique la date de leur occurrence dans l'histoire de l'univers. Des mesures de date et de distance, cela nous donne des vitesses et, finalement, des changements de vitesses, c'est-à-dire des accélérations.

Les cosmologistes viennent d'affiner les mesures de distances de Céphéides dans des galaxies où ils ont observé des SN Ia. En complétant par d'autres mesures, ils ont alors pu déterminer de façon un peu plus précise la constante de Hubble. Les chercheurs n'ont plus qu'une erreur de 2,4 % sur sa valeur alors qu'elle était de 3,3 % il y a encore quelques années. L'amélioration semble faible mais elle suffit déjà pour mettre en évidence, à défaut de vraiment prouver, une accélération anormalement élevée de l'expansion de l'univers, non prédite à partir des analyses actuelles du rayonnement fossile observé par Planck dans le cadre du modèle cosmologique standard.

Les analyses des données de Planck semblent robustes. Donc, à moins d'un biais systématique quelconque dans les mesures réalisées par Riess et ses collègues (par exemple des chandelles standards qui ne le seraient pas), les données de Planck sont en désaccord avec celles de Hubble. Pour les accorder, il faudrait modifier le modèle cosmologique standard, c'est-à-dire nos idées sur l'énergie noire ou la matière noire. Jusqu'à aujourd'hui, les observations semblaient indiquer que l'énergie noire était bien décrite par une vraie constante cosmologique. Peut-être n'est ce pas le cas...

Une autre possibilité est qu'il existe une quatrième famille de neutrinos dans l'univers. Des neutrinos massifs dit stériles sont proposés depuis un certain temps comme des candidats crédibles au titre de particules de matière noire. Les données de Planck ne sont cependant pas très favorables à cette hypothèse, bien qu'elles ne puissent pas l'exclure selon les chercheurs. Dans tout les cas de figure, si cette accélération anormale existe vraiment, elle pointe vers de la nouvelle physique.

Alain Blanchard est un célèbre cosmologiste français. Membre de l'Institut universitaire de France, il est aussi professeur à l'université Paul Sabatier. Ses travaux concernent les amas de galaxies, le rayonnement fossile et la formation des structures en cosmologie. © IUF

Erreurs de mesure ou bien neutrinos stériles ?

L'année dernière, le cosmologiste Alain Blanchard nous avait expliqué que le catalogue des amas de galaxies dressé grâce aux observations de Planck entrait peut-être déjà en contradiction avec le modèle cosmologique standard. Pour lui, « c'est un des rares résultats de Planck qui pose question. Soit les masses des amas ont été correctement estimées par les observateurs et alors il faut revoir le modèle standard, par exemple en ajoutant des neutrinos massifs, soit les masses sont plus grandes et tout rentre dans l'ordre. Il y a donc deux tendances chez les cosmologistes : ceux qui ont confiance dans les estimations antérieures de masse des amas et qui sont prêts à revoir le modèle (la publication XX de la collaboration Planck en 2013 est un peu dans cet esprit) et ceux qui croient au modèle standard, pensant qu'il faut revoir les estimations de masse des amas (ce qui est l'esprit de la publication Planck 2013 XVI) ».

Contacté par Futura-Sciences, Alain Blanchard confirme qu'effectivement : « soit on croit aux mesures de la constante de Hubble par Riess, et aux mesures de Planck, et alors on a le signe d'une nouvelle physique, soit il y a une des données qui est un peu biaisée... Moi et mes collègues avions été confrontés au même problème avec l'abondance des amas de Planck, une situation que nous avions en fait déjà rencontrée (et titrée !) il y a une dizaine d'années, mais nous n'avions pas bénéficié de la publicité d'un prix Nobel... ».

Pour le chercheur, cette problématique, nouvelle physique ou biais dans les analyses, va probablement être très présente en cosmologie dans les années à venir.

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