Beaucoup d'entre nous ne réalisent pas que le sort de l'Univers, régi par les lois de la Théorie générale de la relativité, et qui a commencé avec le Big Bang il y a 13,8 milliards d'années, était prédéterminé dès sa naissance. Les conditions initiales sont une course entre l'expansion primaire, qui fonctionne pour disperser la matière et l'énergie sur les côtés, et la gravité, qui fonctionne pour tout rassembler, ralentir l'expansion et, si possible, comprimer l'Univers en effondrement. Si nous savons comment l'Univers se développe et comment il s'est produit dans le passé, nous pouvons calculer en quoi il consiste et quel sera son sort - mais seulement si nous sommes capables de
mesurer avec précision le passé.
Cette semaine, j'ai reçu une énorme quantité de questions sur
les reportages selon lesquels l'Univers se développe plus rapidement que prévu. Le problème est le suivant: si le sort de l'Univers dépend de la vitesse d'expansion, actuelle et passée, et que nous l'avons mal mesuré, nos conclusions sur l'Univers peuvent-elles également être fausses? Ne pourrait-il y avoir aucune énergie sombre? Se pourrait-il que l'Univers n'accélère pas du tout de nous? La vitesse d'expansion peut-elle ralentir et devenir une compression importante à l'avenir? Pour répondre à ces questions, vous devez vous tourner vers la base scientifique de ce qui se passe.
La façon la plus simple de mesurer l'expansion de l'univers est d'observer des objets que nous connaissons bien. Ce sont des étoiles individuelles, des galaxies tournantes, des supernovae, etc. Nous pouvons mesurer leur luminosité apparente et leur décalage vers le rouge. Si nous connaissons la luminosité réelle d'un objet - et pour les objets bien étudiés, nous la connaissons - et mesurons sa luminosité apparente, nous pouvons calculer sa distance, tout comme nous pouvons déterminer la distance d'une lampe de 60 watts en mesurant sa luminosité visible . Les astronomes appellent ces objets «bougies standard», car cette idée est née bien avant les ampoules. À mesure que l'univers se développe, la mesure du décalage vers le rouge et de la distance nous permet d'observer comment l'espace se dilate aujourd'hui. Et en travaillant avec des distances toujours plus grandes, nous pouvons observer comment le taux d'expansion a changé au fil du temps.
Le concept fonctionne pour de nombreux objets différents: étoiles de céphéides variables, fluctuations à la surface des galaxies spirales, géantes rouges en évolution, galaxies spirales en rotation et supernovae de type Ia - ces dernières se trouvent aux plus grandes distances. Une combinaison de ces méthodes a été utilisée dans les années 90 et 2000 pour déterminer le taux d'expansion Hubble de l'Univers avec une précision incroyable: 72 ± 7 km / s / Mpc. C'était une percée par rapport aux estimations précédentes, allant de 50 à 100. Le télescope spatial Hubble, qui a fait ces mesures, a été nommé ainsi en raison de l'intention de mesurer la constante de Hubble!
Mais depuis ce temps, nous avons encore affiné les mesures et réduit les erreurs, ce qui a conduit à un nouveau problème: différentes mesures donnent différentes valeurs du taux d'expansion.
Une façon de mesurer l'histoire de l'expansion de l'univers est de se tourner vers le rayonnement relique, la lueur résiduelle du Big Bang. Ses fluctuations et certaines propriétés générales nous permettent de calculer le taux d'expansion. Le satellite Planck nous donne une valeur de
67 ± 2 km / s / Mpc , qui coïncide avec les mesures précédentes, augmentant la précision. À partir d'amas de galaxies aux plus grandes échelles (oscillations acoustiques baryoniques) mesurées dans le Sloan Digital Sky Survey et autres, nous obtenons une valeur de
68 ± 1 km / s / Mpc . Et ces deux dimensions nous donnent des valeurs qui correspondent à la fois aux mesures précédentes et à l'autre. Mais si nous nous tournons vers les données sur les céphéides et les supernovae, lorsque nous étudions les céphéides et les supernovae de type Ia dans la même galaxie, nous obtenons la même valeur exacte, qui, cependant, ne coïncide pas avec les autres:
73 ± 2 km / s / Mpc .
C'est pourquoi toute cette agitation continue. Certains ont commencé à proposer des théories alternatives exotiques, comme l'
évolution de l'énergie sombre , tandis que d'autres remettent déjà en question les bases de la cosmologie. Mais il est possible, et même probable, que le problème n'existe pas du tout. Ces erreurs n'incluent pas les erreurs systématiques ou les incertitudes inhérentes au processus de mesure. Les données sur les céphéides et les supernovae nous permettent de recréer l'échelle des distances cosmiques, dans laquelle chaque étape de l'Univers en expansion est construite sur une précédente plus proche. Si vous vous trompez tôt:
• dans la mesure de parallaxe des céphéides les plus proches,
• le standard de ces objets,
• par rapport à la luminosité et à la distance de l'une des marches,
• dans la luminosité réelle supposée des bougies standard,
• sur l'environnement des phénomènes détectés,
alors cette erreur s'appliquera à toutes les constructions suivantes. Malgré la faible incertitude de cette échelle de distance, il convient de noter qu'il existe quatre méthodes indépendantes pour calibrer la constante de Hubble, et chacune d'elles donne une valeur différente, de 71,82 à 75,91, et l'erreur de chacune est d'environ 3.
On espère que les mesures de parallaxe prévues amélioreront ces incertitudes et aideront à comprendre les erreurs systématiques qui traversent ces différences. Il est très intéressant de discuter de sujets inhabituels, mais très probablement, ces nouveaux signes d'incertitude dans la constante de Hubble indiquent une opportunité de mieux comprendre les phénomènes astrophysiques, grâce auxquels nous obtenons ces valeurs, et, éventuellement, convergeons sur une seule valeur de la vitesse d'expansion, une pour toutes méthodes. Que la valeur change de 73, qu'elle reste autour de 70 ou passe à 67, le résultat changera nos paramètres de quelques pour cent, mais pas nos conclusions. Peut-être que l'univers n'a pas 13,8 milliards d'années, mais 13,5 milliards; c'est peut-être 65%, et non 70%, de l'énergie sombre; peut-être que dans 40 milliards d'années, la grande rupture pourrait se produire. Mais l'image principale de l'univers restera inchangée. La clé, comme toujours, est de découvrir les bases des phénomènes et d'apprendre ce que l'Univers nous enseigne.