The Mystery of the Hubble Tension: The Surprising Finding about the Coma Cluster of Galaxies
Le mystère de la tension de Hubble s’est approfondi avec la découverte stupéfiante que le superamas de la Coma est situé à 38 millions d’années-lumière de moins que prévu. Ces dernières années, des problèmes ont surgi dans les tentatives de mesurer l’expansion de l’univers, qui est régie par la loi de Hubble-Lemaître. Cette loi nous dit que la vitesse à laquelle une galaxie s’éloigne de nous en raison de l’expansion de l’espace est égale à sa distance multipliée par le taux d’expansion, quantifié comme la constante de Hubble. Plus une galaxie est loin de nous, plus elle s’éloigne vite de nous.
La Coma Cluster plus proche que prévu
Une équipe d’astronomes dirigée par Dan Scolnic de l’Université Duke en Caroline du Nord et Adam Riess de l’Université Johns Hopkins a recherché toutes les explosions de supernovae de type Ia observées par le télescope spatial Hubble dans les galaxies du superamas de la Coma. En utilisant les mesures de ces supernovae, l’équipe a découvert que le superamas de la Coma est plus proche de nous que ce que le modèle standard nous dit — et c’est un gros problème.
Il existe deux principales méthodes pour mesurer la constante de Hubble. L’une est directe, en observant des bougies-standard — c’est-à-dire des objets avec des luminosités prévisibles comme les variables de Céphée, les explosions de supernovae de type Ia et les étoiles géantes rouges — dans les galaxies et en déterminant leur distance en fonction de leur luminosité apparente. Couplée à leur vitesse d’éloignement de nous, qui peut être dérivée des mesures de leur décalage vers le rouge (qui indique que plus quelque chose s’éloigne de nous rapidement, plus sa lumière est étirée vers des longueurs d’onde plus longues et plus rouges), les astronomes peuvent utiliser la loi de Hubble-Lemaître pour calculer la constante de Hubble.
L’autre méthode consiste à remonter le temps, jusqu’au début. Le rayonnement cosmique thermique (CMB) est la lumière émise 379 000 années après le Big Bang. Avant cette époque, l’univers était rempli d’un océan dense et bouillonnant de plasma, qui est un gaz ionisé — il faisait trop chaud pour que les électrons et les noyaux atomiques se combinent. Le plasma était opaque à la lumière et des ondes de densité résonnaient à travers lui.
Ensuite, lorsque l’horloge cosmique a atteint 379 000 années, l’univers s’était suffisamment refroidi pour que les électrons et les noyaux se combinent et forment des atomes complets. Le plasma s’est transformé en un brouillard de gaz d’hydrogène neutre et d’hélium, mais ces ondes de densité se sont figées dans la distribution de la matière, une distribution qui persiste encore aujourd’hui, bien que sur des échelles beaucoup plus grandes qu’à l’époque. Le CMB capture l’apparence de ces ondes de densité, appelées oscillations acoustiques baryoniques ou BAO, 379 000 années après le Big Bang.
Les scientifiques sont capables d’utiliser le modèle standard de la cosmologie sur les observations du CMB pour faire des prédictions sur l’univers. Le modèle standard est notre représentation de base d’un cosmos dominé par une matière sombre froide et une énergie sombre, opérant sous la province de la théorie de la relativité générale d’Albert Einstein. La constante de Hubble reste peu modifiée à une valeur de 67,4 km/s/Mpc correspondant à 13,8 milliards d’années pour l’âge de l’univers.
La tension de Hubble
Sur la base des observations du rayonnement CMB par le satellite Planck de l’Agence spatiale européenne, le modèle standard prédit que la constante de Hubble devrait être de 67,4 kilomètres par seconde par mégaparsec (km/s/Mpc). Un mégaparsec est égal à un million de parsecs, et un parsec est égal à 3,26 années-lumière. En d’autres termes, ce que Planck et le modèle standard prédisent, c’est que chaque volume d’espace d’un million de parsecs de diamètre devrait se dilater de 67,4 kilomètres chaque seconde.
Cependant, la plupart des mesures des bougies-standard actuelles suggèrent une valeur différente, autour de 73,2 km/s/Mpc. Les deux mesures sont effectuées avec une grande précision et, selon notre compréhension de l’astrophysique et de la cosmologie, les deux devraient être correctes — mais les deux ne peuvent pas l’être. Il faut que ce soit l’une ou l’autre. Cette différence inexpliquée est ce que nous appelons la tension de Hubble.
Personne ne comprend la tension de Hubble. Lorsqu’il s’agit de mystères de l’univers, c’est presque toujours en tête de liste. Certains scientifiques pensent qu’il y a une sorte d’erreur cachée mais persistante dans la façon dont nous mesurons les bougies-standard — il est compréhensible de ne pas vouloir abandonner le modèle standard qui nous a si bien servi jusqu’à présent. Pourtant, les astronomes qui réalisent les mesures des bougies-standard pointent du doigt le modèle standard, ou du moins un phénomène inconnu que le modèle standard ne prédit pas.
Quoi qu’il en soit, nous avons besoin d’en savoir plus, c’est pourquoi beaucoup repose sur les épaules de l’instrument spectroscopique de l’énergie sombre (DESI), basé sur le télescope de 4 mètres Mayall à l’observatoire national de Kitt Peak en Arizona.
Des recherches prometteuses
Commencant sa mission de cinq ans pour mesurer l’expansion de l’univers en 2021, DESI intègre 5 000 dispositifs robotiques miniatures capables de positionner 5 000 fibres optiques pour collecter des données de décalage vers le rouge à partir de 5 000 objets à la fois. Au cours de son enquête de cinq ans, il mesurera les décalages vers le rouge d’environ 30 millions de galaxies réparties dans le temps cosmique afin de comprendre comment l’énergie sombre accélère l’expansion de l’univers.
DESI est unique en ce qu’il est capable de déduire la constante de Hubble en se basant sur des prédictions à la fois du début et de la fin de l’univers. En observant les BAO maintenant amplifiées dans la distribution des galaxies le long de la toile cosmique et en les comparant à l’échelle angulaire des BAO dans le CMB, DESI calcule que la constante de Hubble est de 68,5 km/s/Mpc, très proche de ce que prévoit le modèle standard et Planck.
Cependant, les mesures de DESI de la constante de Hubble dans l’univers moderne, en utilisant la luminosité des explosions de supernovae de type Ia dans les galaxies, donnent une valeur de 76 km/s/Mpc — montrant toujours une tension, bien que les mesures présentent une grande incertitude.
Les astronomes aimeraient réduire cette incertitude. La question est de savoir si nous pouvons aider DESI à faire de meilleures mesures, a déclaré Scolnic.
Pour que ses résultats soient vraiment impartiaux, DESI construit sa propre échelle de distance cosmique à partir de zéro, plutôt que de s’appuyer sur des mesures précédentes, à une exception près. C’est pourquoi ses observations présentent une plus grande incertitude que les mesures précédentes. Cette échelle de distance doit être ancrée d’une manière ou d’une autre, calibrée avec une mesure robuste de la distance à une galaxie ou à un groupe de galaxies voisines.
À cette fin, Scolnic et Riess se sont tournés vers les observations du télescope spatial Hubble des explosions de supernovae de type Ia dans le superamas de la Coma. C’est un joli amas riche en galaxies et en supernovae, et elles sont toutes à la même distance, a déclaré Scolnic.
Cela leur a permis de calculer une distance de 321 millions d’années-lumière, plus ou moins une incertitude de 7 millions d’années-lumière, pour ancrer les observations de DESI. Cela concorde parfaitement avec les mesures précédentes de la distance du superamas de Coma, mais attendez — que dit le modèle standard ? Il prédit que le superamas de Coma devrait être à 359 millions d’années-lumière, mais ce n’est absolument pas aussi éloigné.
Vous pouvez voir que dans toutes ces mesures précédentes, beaucoup réalisées avant même que nous ne sachions qu’il y avait une tension de Hubble, aucune d’entre elles ne s’approchait de la prédiction si le modèle standard était correct, a déclaré Scolnic. Elles montrent toutes que le modèle standard avec la mesure de Planck n’est pas correct.
La tension de Hubble : une crise
Étant donné que le superamas de Coma est l’un des amas de galaxies les plus proches de nous, Scolnic décrit cette découverte comme étant la tension de Hubble dans notre jardin. Cela devrait également mettre fin à l’idée que la tension de Hubble n’est pas réelle, une idée qui a gagné du terrain en 2024, lorsque l’équipe de Wendy Freedman de l’Université de Chicago a utilisé les observations par le télescope spatial James Webb des variables de Céphée et des étoiles géantes rouges pour mesurer la distance de 10 galaxies. Les mesures de Freedman de la constante de Hubble basées sur ces dix galaxies étaient conformes au modèle standard, suggérant que la tension de Hubble pourrait avoir été une erreur. Cependant, cela est une conclusion audacieuse à partir de seulement 10 galaxies, et Scolnic affirme que les résultats de Freedman ont maintenant été mieux compris et que la tension de Hubble n’a pas disparu.
Les origines de la tension de Hubble
Alors, que pourrait causer la tension de Hubble ? Les sceptiques qui sont impatients de renverser l’establishment scientifique pourraient faire valoir que nous devons abandonner le modèle standard, mais il est trop tôt pour jeter le bébé avec l’eau du bain. Il est bon de se rappeler que le modèle standard a remporté de nombreux succès, de la description de la formation, de la croissance et de l’évolution des galaxies et de l’existence de la structure à grande échelle de l’univers, à la prédiction des caractéristiques du CMB, y compris la taille des BAOs.
Alors, que pourrait causer la tension de Hubble ? L’attention est désormais portée sur l’univers primordial et sur la question de savoir s’il y avait quelque chose qui n’était pas prédit par le modèle standard et qui aurait pu affecter les mesures. Peut-être qu’il y a eu une poussée supplémentaire d’énergie sombre dans le jeune univers, ou peut-être que de l’énergie a été injectée dans le cosmos primitif par le rayonnement des axions, qui sont des particules théoriques et l’une des candidates à l’identité de la matière sombre. Tout cela relève encore de la spéculation.
En attendant, les résultats concernant le superamas de Coma soulignent vraiment à quel point la tension de Hubble est troublante. En effet, Scolnic pense que les découvertes sur le superamas de Coma ont irrémédiablement approfondi le mystère, et conclut de manière inquiétante que la tension de Hubble est maintenant une crise de Hubble.
