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Espace

Expansion de l’Univers : de nouvelles données ravivent la controverse

16-07-2020

Extrait de la nouvelle image de la « première lumière » de l’Univers prise par le Atacama Cosmology Telescope. Cette image couvre une section du ciel correspondant à 50 fois le diamètre de la Lune. La polarisation de la lumière, émise 380 000 ans après le big bang, varie (ce qui est représenté ici par les variations de couleurs). Les astrophysiciens utilisent l’espacement de ces variations pour calculer l’âge de l’Univers. Crédit: ACT Collaboration

Une nouvelle cartographie de l’Univers primordial relance le débat sur la vitesse de l’expansion de l’Univers.

Depuis sa naissance, l’Univers est en expansion, mais la vitesse de cet étirement a varié au cours du temps. On sait depuis une vingtaine d’années que celle-ci accélère. Le hic, c’est que les théoriciens ne s’entendent pas sur l’ampleur de l’accélération, que l’on appelle constante de Hubble. En effet, les différentes techniques utilisées pour la mesurer, dont nous parlions ici, ne donnent pas le même résultat!

Et voilà que les nouvelles données collectées par le télescope chilien Atacama Cosmology Telescope (ACT) aggravent le problème, souligne la revue Nature. Elles semblent indiquer que l’Univers s’étire moins vite que ce que l’on observe directement, selon deux prépublications déposées le 15 juillet sur la plateforme arXiv.

Comme le satellite Planck avant lui, l’ACT a permis de cartographier le fond diffus cosmologique, aussi appelé «rayonnement fossile». Il s’agit, en quelque sorte, de la lueur résiduelle venue du premier flash lumineux de l’Univers.

En effet, juste après le big bang, l’Univers primordial était si dense que la lumière ne pouvait s’y propager : un plasma de photons, d’électrons et de noyaux atomiques formait une sorte de brouillard opaque. Mais après environ 380 000 ans d’existence, alors que l’Univers s’étend et que sa température baisse, les électrons et les noyaux se combinent, s’organisent, libérant ainsi les photons. Ce premier rayonnement est encore perceptible aujourd’hui : il nous offre la plus ancienne « photo » de l’Univers qui soit.

Télescope ACT. Image: Université Princeton.

L’ATC, un télescope de 6 m de diamètre, capte les longueurs d’ondes millimétriques caractéristiques du fond cosmologique. Chose rassurante, les nouvelles observations confirment le fait que l’Univers est âgé de 13,79 milliards d’années, plus ou moins 21 millions.

En revanche, les infimes fluctuations observées dans le fond diffus cosmologique, que les physiciens utilisent pour prédire la vitesse d’expansion actuelle de l’Univers, donnent une constante de Hubble environ 10% plus faible que ce que les astronomes calculent avec leurs observations directes (en évaluant la vitesse d’éloignement de supernovas par exemple, voir ci-dessous).

«Lorsqu’on déduit la constante de Hubble à partir du fond diffus cosmologique ou à partir d’autres mesures à très grande échelle, on trouve une valeur différente de celle qui est mesurée à plus petite échelle […]. Si cette différence est réelle, c’est un défi pour les modèles cosmologiques», explique dans un communiqué Mark Halpern, professeur de physique à l’Université de Colombie-Britannique, membre de la collaboration internationale en charge des analyses de l’ACT (qui regroupe 41 institutions scientifiques dans 7 pays).

Ces nouveaux résultats sont très proches de ceux obtenus par le satellite Planck en 2013, à 0,3% près. Ces calculs indépendants ne permettent donc aucunement de trancher… Et ils confirment qu’il y a probablement quelque chose qui cloche dans les modèles actuels.

 

Les supernovas, des outils de mesure

Pour mesurer directement la vitesse d’expansion, les scientifiques utilisent les supernovas, des explosions d’étoiles dont la luminosité est toujours la même. En effet, l’explosion de ces naines blanches survient toujours dans les mêmes conditions, et émet de la lumière selon un « pattern » uniforme bien connu des chercheurs.

« Les supernovas sont ce qu’on appelle des chandelles standards, des sortes de gros gyrophares qui brillent toujours de la même manière. On sait quelle est la luminosité émise par ces objets : plus on les voit faibles, plus on sait qu’ils sont loin », explique Vivien Bonvin, chercheur à l’École Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL).

Une fois qu’on connaît la distance, reste à mesurer la vitesse d’éloignement. Pour cela, on regarde le «décalage» du spectre lumineux vers le rouge, ou redshift en anglais. Ainsi, lorsqu’une étoile s’éloigne, parce que l’Univers s’étire, la longueur d’onde de son rayonnement s’allonge elle aussi, se décalant vers le rouge. (Si elle se rapprochait, la longueur d’onde rétrécirait, se décalant vers l’extrémité bleue du spectre.)

En 1998, les chercheurs américains ont scruté plusieurs supernovas, plus ou moins éloignées, pour mesurer leur décalage vers le rouge. «Si l’Univers n’était pas en expansion accélérée, mais juste en expansion, toutes ces supernovas auraient dû avoir la même vitesse d’éloignement. Mais ce n’est pas le cas : on voit que plus on regarde loin, plus elles s’éloignent rapidement. La vitesse change avec la distance», explique Vivien Bonvin. Seule explication, alors : l’expansion accélère sous l’effet d’une force inconnue, répulsive.

La constante de Hubble, qui est utilisée depuis les années 1920 pour désigner la vitesse d’expansion de l’Univers, n’est finalement pas si constante que cela… «Elle est constante dans l’espace, mais pas dans le temps», résume le physicien.

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