Commençons par dire que l’Univers est grand Lorsque nous regardons dans n’importe quelle direction, les régions les plus visibles de l’Univers sont estimées à environ 46 milliards d’années-lumière. C’est un diamètre de 540 sextillions (ou 54 suivis de 22 zéros) miles Mais ce n’est vraiment que notre meilleure supposition – personne ne sait exactement à quel point l’Univers est vraiment grand

C’est parce que nous ne pouvons voir que la lumière (ou plus précisément le rayonnement micro-ondes émis par le Big Bang) a voyagé depuis le début de l’Univers Depuis que l’Univers a éclaté à l’existence, environ 13Il y a 8 milliards d’années, il s’est étendu depuis Mais comme nous ne connaissons pas non plus l’âge précis de l’Univers, il est difficile de déterminer jusqu’où il s’étend au-delà des limites de ce que nous pouvons voir.

Une propriété que les astronomes ont essayé d’utiliser pour les aider à le faire, cependant, est un nombre connu sous le nom de constante de Hubble.

“C’est une mesure de la vitesse à laquelle l’univers se développe à l’heure actuelle”, déclare Wendy Freedman, astrophysicienne à l’Université de Chicago qui a passé sa carrière à le mesurer. “La constante de Hubble définit l’échelle de l’Univers, à la fois sa taille et son âge”

Cela aide de penser à l’Univers comme un ballon qui explose Au fur et à mesure que les étoiles et les galaxies, comme des points sur la surface d’un ballon, s’éloignent les unes des autres plus rapidement, plus la distance est grande entre elles. De notre point de vue, cela signifie que plus une galaxie est éloignée de nous, plus elle recule rapidement

Notre galaxie, la Voie lactée, s’éloigne des autres autour d’elle alors que l’Univers se développe (Crédit: Allan Morton / Dennis Milon / Science Photo Library)

Malheureusement, plus les astronomes mesurent ce nombre, plus il semble défier les prédictions fondées sur notre compréhension de l’Univers Une méthode de mesure nous donne directement une certaine valeur tandis qu’une autre mesure, qui repose sur notre compréhension d’autres paramètres de l’Univers, dit quelque chose de différent Soit les mesures sont fausses, soit il y a quelque chose de défectueux dans la façon dont nous pensons que notre Univers fonctionne

Mais les scientifiques pensent maintenant qu’ils sont proches d’une réponse, en grande partie grâce à de nouvelles expériences et observations visant à découvrir exactement ce qu’est vraiment la constante de Hubble

“Ce qui nous attend en tant que cosmologistes est un défi d’ingénierie: comment mesurer cette quantité aussi précisément et précisément que possible?” dit Rachael Beaton, astronome travaillant à l’Université de Princeton Pour relever ce défi, dit-elle, il faut non seulement acquérir les données pour les mesurer, mais aussi recouper les mesures du plus de façons possible. “De mon point de vue en tant que scientifique, cela ressemble plus à assembler un puzzle qu’à être à l’intérieur d’un mystère de style Agatha Christie”

La toute première mesure de la constante de Hubble en 1929 par l’astronome dont elle porte le nom – Edwin Hubble – la mettait à 500 km par seconde par mégaparsec (km / s / Mpc), soit 310 miles / s / Mpc Cette valeur signifie que pour chaque mégaparsec (une unité de distance équivalente à 326 millions d’années-lumière) plus loin de la Terre que vous regardez, les galaxies que vous voyez s’éloignent de nous 500 km / s (310 miles / s) plus vite que celles d’un mégaparsec plus proches

Plus d’un siècle depuis la première estimation de Hubble pour le taux d’expansion cosmique, ce nombre a été révisé à la baisse à maintes reprises Les estimations d’aujourd’hui le situent entre 67 et 74 km / s / Mpc (42-46 miles / s / Mpc)

Une partie du problème est que la constante de Hubble peut être différente selon la façon dont vous la mesurez

La plupart des descriptions de l’écart de la constante de Hubble indiquent qu’il existe deux façons de mesurer sa valeur: l’une regarde à quelle vitesse les galaxies proches s’éloignent de nous tandis que la seconde utilise le fond cosmique micro-ondes (CMB), la première lumière qui s’est échappée après le Big Bang

Nous pouvons encore voir cette lumière aujourd’hui, mais à cause des parties éloignées de l’univers qui s’éloignent de nous, la lumière a été étirée en ondes radio Ces signaux radio, découverts pour la première fois par accident dans les années 1960, nous donnent un aperçu le plus précoce possible de ce à quoi ressemblait l’Univers.

Deux forces concurrentes – l’attraction de la gravité et la poussée du rayonnement vers l’extérieur – ont joué un bras de fer cosmique avec l’univers à ses débuts, ce qui a créé des perturbations qui peuvent encore être vues dans le fond cosmique des micro-ondes sous forme de minuscules différences de température.

En utilisant ces perturbations, il est alors possible de mesurer la vitesse d’expansion de l’Univers peu de temps après le Big Bang et cela peut ensuite être appliqué au modèle standard de cosmologie pour en déduire le taux d’expansion actuel. Ce modèle standard est l’une des meilleures explications que nous ayons de la façon dont l’Univers a commencé, de quoi il est fait et de ce que nous voyons autour de nous aujourd’hui.

De minuscules perturbations dans l’univers primitif peuvent être observées dans les fluctuations de la lumière la plus ancienne de l’Univers – le fond cosmique des micro-ondes (Crédit: Nasa / JPL / ESA-Planck)

Mais il y a un problème Lorsque les astronomes essaient de mesurer la constante de Hubble en regardant comment les galaxies proches s’éloignent de nous, ils obtiennent un chiffre différent.

“Si le modèle [standard] est correct, alors vous imaginez que les deux valeurs – ce que vous mesurez aujourd’hui localement et la valeur que vous déduisez des premières observations seraient d’accord”, déclare Freedman “Et ils ne le font pas”

Lorsque le satellite Planck de l’Agence spatiale européenne (ESA) a mesuré les écarts dans le CMB, d’abord en 2014 puis à nouveau en 2018, la valeur qui ressort de la constante de Hubble est de 674 km (419 miles) / s / Mpc Mais c’est environ 9% de moins que la valeur que des astronomes comme Freedman ont mesurée lorsqu’ils observent les galaxies proches.

Autres mesures du CMB en 2020 à l’aide du télescope cosmologique Atacama en corrélation avec les données de Planck “Cela aide à exclure qu’il y ait eu un problème systématique avec Planck à partir de quelques sources”, dit Beaton Si les mesures du CMB étaient correctes – cela laissait l’une des deux possibilités: soit les techniques utilisant la lumière des galaxies proches étaient désactivées, soit le modèle standard de cosmologie doit être changé.

La technique utilisée par Freedman et ses collègues tire parti d’un type d’étoile spécifique appelé variable Cepheid Découvertes il y a environ 100 ans par une astronome appelée Henrietta Leavitt, ces étoiles changent de luminosité, pulsant de plus en plus clair au fil des jours ou des semaines. Leavitt a découvert que plus l’étoile est brillante, plus il faut de temps pour s’éclairer, puis s’atténuer puis s’éclaircir à nouveau Maintenant, les astronomes peuvent dire exactement à quel point une étoile est vraiment brillante en étudiant ces impulsions de luminosité. En mesurant sa luminosité sur Terre et en sachant que la lumière diminue en fonction de la distance, il fournit un moyen précis de mesurer la distance aux étoiles. (En savoir plus sur la façon dont Henrietta Leavitt a changé notre vision de l’Univers)

Freedman et son équipe ont été les premiers à utiliser les variables céphéides dans les galaxies voisines des nôtres pour mesurer la constante de Hubble à l’aide des données du télescope spatial Hubble En 2001, ils l’ont mesuré à 72 km (45 miles) / s / Mpc

Depuis lors, la valeur de l’étude des galaxies locales a oscillé autour du même point En utilisant le même type d’étoiles, une autre équipe a utilisé le télescope spatial Hubble en 2019 pour arriver à un chiffre de 74 km (46 miles) / s / Mpc. Puis quelques mois plus tard, un autre groupe d’astrophysiciens a utilisé une technique différente impliquant la lumière provenant de quasars pour obtenir une valeur de 73 km (45 miles) / s / Mpc.

Si ces mesures sont correctes, cela suggère que l’Univers pourrait se gonfler plus rapidement que ne le permettent les théories du modèle standard de cosmologie Cela pourrait signifier que ce modèle – et avec lui notre meilleure tentative pour décrire la nature fondamentale de l’Univers – doit être mis à jour À l’heure actuelle, la réponse n’est pas certaine, mais si cela s’avère être le cas, les implications pourraient être profondes

“Cela pourrait nous indiquer que quelque chose manque dans ce que nous pensons être notre modèle standard”, déclare Freedman «Nous ne savons pas encore la raison pour laquelle cela se produit, mais c’est une opportunité pour une découverte”

Si le modèle standard est erroné, cela pourrait signifier que nos modèles de ce dont l’Univers est composé, les quantités relatives de matière baryonique ou “normale”, de matière noire, d’énergie noire et de rayonnement, ne sont pas tout à fait exactes. Et si l’Univers se développe vraiment plus vite que nous ne le pensions, il pourrait être beaucoup plus jeune que le 13 actuellement accepté.8 milliards d’années

Les étoiles pulsantes appelées variables Cepheid comme celle-ci peuvent être utilisées pour mesurer les distances dans l’Univers et révéler à quelle vitesse il se développe (Crédit: NASA / ESA / Hubble Heritage Team)

Une autre explication de l’écart est que la partie de l’Univers dans laquelle nous vivons est en quelque sorte différente ou spéciale par rapport au reste de l’Univers, et cette différence déforme les mesures. “C’est loin d’être une analogie parfaite, mais vous pouvez penser à la façon dont la vitesse ou l’accélération de votre voiture est modifiée si vous montez ou descendez une colline, même si vous appliquez la même pression sur la pédale d’accélérateur”, explique Beaton. “Je pense qu’il est peu probable que ce soit la cause ultime de la divergence dans la constante de Hubble que nous constatons, mais je pense également qu’il est important de ne pas négliger le travail consacré à ces résultats.”

Mais les astronomes pensent qu’ils sont sur le point de déterminer ce qu’est la constante de Hubble et laquelle des mesures est correcte

“Ce qui est excitant, c’est que je pense que nous allons vraiment résoudre ce problème dans un délai assez court, que ce soit dans un an, deux ou trois”, déclare Freedman “Il y a tellement de choses qui se profilent à l’horizon et qui amélioreront la précision avec laquelle nous pouvons effectuer ces mesures que je pense que nous allons aller au fond des choses.”

L’un est l’observatoire spatial Gaia de l’ESA, qui a été lancé en 2013 et qui mesure les positions d’environ un milliard d’étoiles avec une grande précision. Les scientifiques l’utilisent pour calculer les distances aux étoiles avec une technique appelée parallaxe Lorsque Gaia tourne autour du soleil, son point de vue dans l’espace change, un peu comme si vous fermez un œil et regardez un objet, puis regardez avec l’autre œil, il apparaît dans un endroit légèrement différent. Ainsi, en étudiant des objets à différents moments de l’année au cours de son orbite, Gaia permettra aux scientifiques de travailler avec précision à quelle vitesse les étoiles s’éloignent de notre propre système solaire.

Une autre installation qui aidera à répondre à la question de savoir quelle est la valeur de la constante Hubble est le télescope spatial James Webb, qui devrait être lancé à la fin de 2021. En étudiant les longueurs d’onde infrarouges, cela permettra de meilleures mesures qui ne seront pas obscurcies par la poussière entre nous et les étoiles

Le miroir en or à 18 segments du télescope spatial James Webb capturera la lumière infrarouge de certaines des premières galaxies qui se sont formées (Crédit: NASA / Desiree Stover)

S’ils constatent que la différence de la constante de Hubble persiste, alors il sera temps pour une nouvelle physique Et bien que de nombreuses théories aient été proposées pour expliquer la différence, rien ne correspond tout à fait à ce que nous voyons autour de nous Chaque théorie potentielle a un inconvénient Par exemple, il se peut qu’il y ait eu un autre type de rayonnement dans l’univers primitif, mais nous avons mesuré le CMB si précisément que cela ne semble pas probable Une autre option est que l’énergie sombre pourrait changer avec le temps

“Cela semblait être une avenue prometteuse à poursuivre, mais il existe maintenant d’autres contraintes sur la mesure dans laquelle l’énergie sombre pourrait changer en fonction du temps”, déclare Freedman “Il faudrait le faire d’une manière vraiment artificielle et cela n’a pas l’air très prometteur”Une alternative est qu’il y avait une énergie sombre présente dans l’univers primitif qui vient de disparaître, mais il n’y a aucune raison évidente pour laquelle cela ferait cela.

Cela a obligé les scientifiques à imaginer de nouvelles idées qui pourraient expliquer ce qui se passe «Les gens y travaillent très dur et c’est passionnant», ajoute Freedman “Ce n’est pas parce que personne n’a encore réalisé ce qu’est [l’explication] ne signifie pas qu’il n’y aura pas de bonne idée qui émergera”

En fonction de ce que révèlent ces nouveaux télescopes, Beaton et Freedman pourraient bien se retrouver au milieu d’un mystère digne d’un roman d’Agatha Christie après tout

* Abigail Beall est une journaliste scientifique indépendante et auteure de The Art of Urban Astronomy

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Actualités – États-Unis – Le mystère de la taille réelle de notre univers

Source: https://www.bbc.com/future/article/20210326-the-mystery-of-our-expanding-universe

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