De nouvelles observations du télescope spatial James Webb (JWST) confirment les données de son prédécesseur, le télescope spatial Hubble, et révèlent qu’il manque quelque chose dans notre compréhension de l’univers.
Le JWST a effectué sa plus grande étude à ce jour sur l’expansion accélérée de l’univers, dans le but de découvrir pourquoi l’univers s’étend plus rapidement aujourd’hui que ce que notre modèle de sa jeunesse, il y a des milliards d’années, nous le prédit. Actuellement, les scientifiques théorisent que cette expansion accélérée est causée par une forme d’énergie sombre, mais ils ont besoin de savoir ce qu’est réellement cette énergie sombre pour pouvoir l’expliquer de manière concluante. L’étude du JWST a permis de vérifier les observations faites par le télescope Hubble, qui suggérait une divergence dans les mesures de la vitesse d’expansion cosmique, connue sous le nom de constante de Hubble. Cet écart a été appelé tension de Hubble, et ces nouvelles découvertes montrent que les erreurs de données du télescope spatial Hubble ne sont pas responsables de cette tension. Comme la tension de Hubble ne peut être expliquée ni par les meilleurs modèles de l’univers ni par les erreurs de mesure du télescope Hubble, il semble qu’il y ait encore besoin d’un ingrédient supplémentaire dans notre compréhension de l’univers. La divergence entre la vitesse d’expansion observée de l’univers et les prédictions du modèle standard suggère que notre compréhension de l’univers est incomplète, explique Adam Reiss, chef d’équipe et astrophysicien à l’université Johns Hopkins. Avec deux télescopes de pointe de la NASA confirmant désormais les découvertes l’un de l’autre, nous devons prendre ce problème de tension de Hubble très au sérieux – c’est un défi mais aussi une incroyable opportunité d’en apprendre plus sur notre univers. En 2011, Reiss a remporté le prix Nobel de physique pour la découverte de l’énergie sombre, une force mystérieuse qui entraîne l’accélération de l’expansion de l’univers. Cette nouvelle recherche s’appuie sur ce travail récompensé par le prix Nobel.
Qu’est-ce que la tension de Hubble ?
Parce que l’expansion de l’univers agit à très grande échelle, la tension de Hubble n’a pas d’impact sur notre quotidien, ni même sur l’échelle du système solaire ou de notre galaxie, la Voie lactée. Cette divergence pose réellement problème lorsqu’on considère les distances entre les galaxies et la structure plus large de l’univers. Cela signifie que les cosmologistes ne peuvent pas réellement comprendre l’évolution de l’univers tant qu’ils ne savent pas quelle est la cause de la tension de Hubble. La tension de Hubble découle du fait qu’il existe deux façons de calculer la constante de Hubble. Les scientifiques peuvent utiliser des sources telles que les supernovas de type Ia ou des étoiles variables, qu’ils appellent des bougies standard, pour mesurer les distances entre la Terre et les galaxies qui les hébergent, et ainsi déterminer à quelle vitesse ces galaxies s’éloignent. Ils peuvent également utiliser nos modèles d’évolution cosmique pour avancer dans le temps et calculer quelle devrait être la constante de Hubble aujourd’hui. Cependant, lorsque les mesures de la constante de Hubble sont prises dans l’univers local, elles sont plus élevées que la valeur prédite en utilisant le meilleur modèle que nous ayons pour l’évolution cosmique, le modèle Cold Dark Matter Lambda (LCDM), également connu sous le nom de modèle standard de la cosmologie. La méthode basée sur le modèle LCDM donne une valeur pour la constante de Hubble d’environ 152 000 miles par heure par mégaparsec (68 kilomètres par seconde par mégaparsec, ou Mpc), tandis que les mesures basées sur les observations télescopiques donnent régulièrement une valeur plus élevée, comprise entre 157 000 mph par Mpc et 170 000 mph par Mpc (70 à 76 km/s/Mpc). Un Mpc équivaut à 3,26 années-lumière ou 5,8 billions de miles (9,4 billions de kilomètres), il y a donc un écart énorme, que les scientifiques craignaient être trop grand pour être expliqué par des incertitudes dans les observations. Il semblerait qu’ils avaient raison ! Hubble avait raison ! Pour confirmer les découvertes de Hubble, Reiss et ses collègues se sont tournés vers le plus grand échantillon de données collectées par le JWST lors de ses deux premières années d’opération, provenant de deux projets différents. Pour mesurer la constante de Hubble, ils ont utilisé trois méthodes indépendantes pour déterminer la distance par rapport aux autres galaxies. Tout d’abord, ils ont utilisé les variables Céphéides, des étoiles pulsantes considérées comme la référence pour mesurer les distances cosmiques. L’équipe a ensuite croisé ces données avec des mesures basées sur des étoiles riches en carbone et les géantes rouges les plus lumineuses des mêmes galaxies. L’équipe s’est particulièrement concentrée sur les distances galactiques mesurées par Hubble. Les données du JWST ont permis d’obtenir une constante de Hubble d’environ 162 400 mph par Mpc (72,6 km/s/Mpc), presque identique à la valeur de 162 849 mph par Mpc (72,8 km/s/Mpc) trouvée par Hubble pour les mêmes galaxies. Cela élimine la possibilité que la tension de Hubble soit simplement un artefact dû à un biais significatif dans les mesures du télescope spatial qui est en service depuis longtemps. Les données du JWST permettent de regarder l’univers en haute définition pour la première fois et améliorent vraiment le rapport signal/bruit des mesures, déclare Siyang Li, membre de l’équipe et étudiante diplômée de l’université Johns Hopkins. Bien sûr, cela signifie qu’il reste un problème de tension de Hubble à résoudre. John Hopkins cosmologiste Marc Kamionkowski, qui n’a pas participé à cette étude, pense que résoudre la tension de Hubble nécessite un nouvel élément dans nos modèles de l’univers. Il a une idée de ce que cet élément pourrait être. Une explication possible de la tension de Hubble pourrait être quelque chose qui manque à notre compréhension de l’univers primitif, comme une nouvelle composante de matière – une énergie sombre primitive – qui aurait donné un coup inattendu à l’univers après le Big Bang, explique Kamionkowski. Et il y a d’autres idées, comme des propriétés étranges de la matière sombre, des particules exotiques, une variation de la masse des électrons ou des champs magnétiques primordiaux, qui pourraient faire l’affaire. Les théoriciens ont la possibilité d’être très créatifs. Les recherches de l’équipe ont été publiées le lundi 9 décembre dans l’Astrophysical Journal.