Le persistant mystère de la vitesse d'expansion de l'univers

Atlantico : Wendy Freedman, astrophysicienne à l'université de Chicago, ainsi que son équipe, ont mis en avant l'idée selon laquelle l'observation particulière d'étoiles variables céphéides, à la luminosité bien particulière, permettrait d'obtenir une bien meilleure estimation de la valeur de la constante de Hubble qu'avec les méthodes habituellement utilisées. Que change cette nouvelle approche dans la recherche de la vitesse d'expansion de l'univers ?

Olivier Sanguy : Tout d’abord, n’oublions que l’utilisation des Céphéides comme étalons n’est pas récente. Dans les années 1920, l’astronome américain Edwin Hubble basa sa mesure de l’expansion de l’Univers, une révolution à l’époque, sur ces étoiles variables. Tout repose sur le fait que la luminosité absolue d’une étoile variable de type Céphéide dépend de la période qui sépare ses variations d’éclat. Ainsi, en mesurant le temps entre deux pics de magnitude, on calcule sa luminosité absolue. Cette estimation est alors confrontée à la luminosité qu’on mesure sur Terre où une baisse d’éclat est causée par la distance. À rebours, une Cépéhéide vous donne donc la distance à laquelle elle se situe une fois que vous avez déterminé sa période de variabilité. Et par le décalage dans le rouge de sa lumière, on sait à quelle vitesse elle s’éloigne de nous. Avec cette méthode, Edwin Hubble a constaté que plus les Céphéides étaient sur des galaxies lointaines, et plus leur vitesse d’éloignement était grande. C’est ainsi qu’il en a déduit l’expansion de l’Univers. Avec une équipe internationale, Wendy Freedman a mené un des projets scientifiques principaux du télescope spatial Hubble (dont le nom rend hommage à Edwin Hubble). Au passage, le télescope Hubble est un projet qui associe la NASA et l’Agence Spatiale Européenne (ESA). Il s’agissait de déterminer avec plus de précision ce qu’on appelle la constante de Hubble (pour l’astronome, pas le télescope !) qui indique à quelle vitesse notre Univers s’étend. Au début, cette constante atteignait les 500 km/s/Mpc. En 2001, grâce au travail de Wendy Freedman et ses collègues, la constate de Hubble a été estimée à 72 km/s/Mpc. En 2019, une autre équipe, toujours avec Hubble, a obtenu 74 km/s/Mpc. Cela veut dire qu’une galaxie située à 1 mégaparsec (soit 3,26 millions d’années-lumière) s’éloigne de nous à 74 km/s. Si c’est 2 mégaparsecs, ce sera 148 km/s et ainsi de suite.

Pourquoi est-ce si difficile d'estimer la valeur de la constante de Hubble, et que nous dit cette difficulté des moyens d'observation et d'analyse de l'espace dont nous disposons ?

Dans le cas des Céphéides, on obtient avant tout des fourchettes de valeurs. Ensuite, on s’est rendu compte que la règle qui lie la luminosité absolue à la période de variabilité connaissait des ajustements en fonction de la composition chimique de la Céphéide concernée. Et puis la valeur des Céphéides en tant qu’étalon dépend aussi de la précision de la mesure de la distance entre nous et des Cépéhéides dans notre propre galaxie afin de bien vérifier le rapport luminosité/variabilité. Surtout, les Céphéides ne sont pas le seul moyen de déterminer l’expansion de l’Univers. Il y en a d’autres et les résultats diffèrent plus ou moins. Par exemple, la constante de Hubble dérivée des données du satellite européen Planck (observation du Fond Diffus Cosmologique dans le domaine des micro-ondes) induit une valeur de 67,4 km/s/Mpc soit 9 % de moins que la valeur de référence issue de l’étude des Céphéides par Wendy Freedman et ses collègues. Une autre étude utilisant les quasars (des galaxies actives très lointaines) a conclu à 73 km/s/Mpc. La difficulté vient du fait que même si la méthode de mesure n’est pas la même, le chiffre devrait être en revanche identique puisque c’est toujours la constante de Hubble qu’on cherche à déterminer.

Que nous disent ces différences théoriques de vitesse d'expansion de l'âge de l'univers ?

La première conséquence est l’âge de l’Univers. La constante de Hubble contraint l’âge de l’Univers. En effet, une fois la vitesse de l'expansion de l’Univers connue, en passant le film à l’envers à la bonne vitesse (en simplifiant), on obtient sa durée, donc son âge. On estime ainsi que le Cosmos est «vieux» de 13,8 milliards d’années. Essayer de concilier les mesures un peu différentes de la constante de Hubble force aussi à affiner les modèles cosmologiques actuels. Ce travail théorique s’appuiera sur de futures mesures qu’on espère très performantes grâce au James Webb Space Telescope (JWST). L’Agence Spatiale Européenne (ESA) est partenaire de ce projet de la NASA. L’Agence Spatiale Canadienne (ASC) participe aussi. Le JWST, grâce à son miroir de 6,5 m de large et des instruments de pointe devrait en effet récolter des données aujourd’hui très difficiles ou impossibles à obtenir. La participation européenne est importante puisque c’est Ariane 5 qui sera chargé de son lancement, normalement avant la fin de cette année.