dimanche 4 mars 2018

Constante de Hubble : nouvelle mesure et renforcement du désaccord avec la valeur issue du CMB


Le prix Nobel Adam Riess et son équipe ont encore frappé. Les astrophysiciens américains viennent de publier leurs nouveaux résultats de mesure de l'expansion cosmique, avec l'utilisation d'une échelle des distances toujours plus précise, fondée sur de nouvelles Céphéides. Résultat : la constante de Hubble ne colle toujours pas avec celle déduite des données du fond diffus cosmologique par Planck et l'écart se creuse encore un peu.



Adam Riess (Johns Hopkins University/Hubble Space Telescope Science Institute), co-lauréat du prix Nobel en 2011 pour la découverte en 1998 d'une accélération de l'expansion de l'Univers, travaille toujours d'arrache-pieds pour comprendre ce qui ce passe avec cette expansion qui est non seulement accélérée, mais dont le taux d'expansion semble différent selon que l'on le mesure dans l'Univers local ou dans l'Univers jeune via le fond diffus cosmologique et les paramètres du modèle 𝝠CDM.
L'équipe d'Adam Riess, la collaboration Supernova H0 for the Equation of State (SH0ES), a utilisé le télescope Hubble durant plusieurs années depuis 2010 dans l'unique but d'améliorer la façon que nous avons de calculer les grandes distances, l'élément clé pour calculer le taux d'expansion de l'Univers (qui est la vitesse de récession en fonction de la distance, justement). La mesure des distances cosmiques est fondée sur l'utilisation d'une échelle de distances qui comporte trois barreaux fondamentaux : tout d'abord les astronomes calculent la distance d'étoiles de type Céphéides proches par leur parallaxe (le mouvement apparent qu'elles ont dans le ciel à 6 mois d'intervalle dû au mouvement de la Terre autour du Soleil). Les étoiles variables Céphéides ont été découvertes en 1913 par l'astronome Henrietta Leavitt. Elles ont la particularité de montrer des pulsations dont la période est proportionnelle à leur luminosité intrinsèque. Elles fournissent donc naturellement une valeur de leur distance en comparant leur luminosité apparente avec leur luminosité intrinsèque déduite de leur pulsation. C'est notamment en découvrant un telle Céphéide dans la galaxie d'Andromède que Edwin Hubble avait pu déterminer dans les années 1920 la distance d'Andromède. On peut ainsi calibrer très précisément ces étoiles Céphéides, puisque la mesure géométrique de parallaxe fournit leur distance et leur pulsation fournit une autre valeur de distance via leur luminosité apparente.
L'étape suivante consiste à trouver des étoiles Céphéides dans des galaxies proches qui comportent également des supernovas de type Ia. Cette étape permet de calibrer cette fois-ci les supernovas Ia qui fournissent elles-aussi une valeur de distance via leur courbe de luminosité qui forme un indicateur standard. Ne reste ensuite plus qu'à trouver des supernovas dans d'autres galaxies plus lointaines encore, auxquelles on pourra affecter une valeur de distance grâce aux supernovas à partir des calibrations antérieures. La vitesse de récession est quant à elle fournie directement par le décalage vers le rouge de la lumière des galaxies en question.



Dans leur nouvelle étude à paraître dans The Astrophysical Journal, Adam Riess et ses collaborateurs viennent d'améliorer le premier barreau de l'échelle des distances, le plus important. Ils ont réussi, grâce au télescope Hubble, à mesurer les parallaxes de 7 Céphéides 10 fois plus lointaines que les précédentes mesures, jusqu'à 12000 années-lumière. Ces étoiles Céphéides ont la particularité d'avoir une pulsation à longue période, supérieure à 10 jours, ce qui les rend difficiles à caractériser. Il s'agit des étoiles nommées SS CMa, XY Car, VY Car, VX Per, WZ Sgr, X Pup et S Vul. Leurs positions et luminosité ont été patiemment mesurées durant 4 ans à 6 mois d'intervalle pour la mesure de parallaxe.
Avec une meilleure précision de la calibration des Céphéides, c'est la précision de celle des supernovas qui s'améliore immédiatement après. Les chercheurs appliquent ces nouvelles données de calibration de Céphéides à plus de 1800 Céphéides extragalactiques qui sont observées dans des galaxies lointaines ayant abrité 19 supernovas de type Ia.
Et l'amélioration de la précision sur la mesure du taux d'expansion (ou constante de Hubble H0) s'est tout de suite fait sentir, avec une précision ramenée à 2,27% (contre 2,37% obtenus en 2016 toujours par la même équipe). Pour rappel, lors du lancement du télescope Hubble, dont l'un des objectifs était cette mesure de la constante du même nom, on espérait pouvoir atteindre une précision de 10%... La nouvelle valeur de la constante de Hubble H0 que Riess et ses collaborateurs de SHOES déduisent augmente légèrement, de 0,24 km.s−1.Mpc−1 , elle vaut aujourd'hui 73,48 ± 1,66 km.s−1.Mpc−1. La tension avec la valeur de H0 déduite des mesures du CMB par Planck avec les paramètres du modèle cosmologique standard (67,8 ± 0,9 km.s−1.Mpc−1) s'accroît donc légèrement, pour atteindre une signifiance de 3,7σ contre 3,4σ en 2016.

Maintenant, les astrophysiciens attendent beaucoup des prochaines données astrométriques de Gaia, qui vont donner dans quelques mois de très nombreuses valeurs de parallaxes parmi lesquelles de nombreuses Céphéides dans notre galaxie. Avec 50 nouvelles Céphéides assez lointaines, Riess et ses collaborateurs estiment pouvoir atteindre finalement une précision de seulement  1% sur la valeur de H0. Il sera alors temps pour le télescope Hubble de prendre une retraite bien méritée, et pour Adam Riess de trouver avec d'autres outils encore d'autres preuves de l'existence de cette forte anomalie que personne ne comprend et que certains ne veulent pas voir.


Source

NEW PARALLAXES OF GALACTIC CEPHEIDS FROM SPATIALLY SCANNING THE
HUBBLE SPACE TELESCOPE: IMPLICATIONS FOR THE HUBBLE CONSTANT
Adam G. Riess et al.
Accepté pour publication par The Astrophysical Journal
https://arxiv.org/pdf/1801.01120.pdf

Illustrations

1) Schéma des différentes étapes utilisées pour les mesures de distances : parallaxes, Céphéides, supernovas (NASA, ESA, A. Feild (STScI), and A. Riess (STScI/JHU))

2) Le télescope spatial Hubble en orbite (NASA)

3) Adam Riess (Johns Hopkins University)

13 commentaires :

Anonyme a dit…

Merci pour cet excellent article.
A votre avis, si cette anomalie se confirmait, quelles seraient les conséquences sur le modèle standard ?

Dr Eric SIMON a dit…

En fait, on peut dire qu'elle se confirme... Les conséquences sont importantes, il faut trouver une origine à cet écart et plusieurs hypothèses sont déjà évoquées : une possibilité qui pourrait réconcilier les deux mesures serait de considérer que les particules de matière noire aient des propriétés différentes de ce que l'on pense et qui pourraient affecter l'évolution de l'Univers primordial (par exemple une interaction entre elles). Une autre piste pourrait être que l'énergie noire n'ait pas été constante au cours de l'histoire cosmique comme on le pense mais qu'elle aurait vu son intensité augmenter.
Riess et ses collaborateurs ont aussi pensé en 2016 à une autre piste très intéressante : une explication plausible serait l'existence d'une source additionnelle de rayonnement sombre dans l'Univers primordial. Cela impliquerait dans le modèle LambdaCDM une augmentation du paramètre qu'on appelle Neff, comprise entre 0,4 et 1 (Neff vaut aujourd'hui 3,046 dans le modèle).
Une telle augmentation du nombre d'espèces relativistes dans l'Univers primordial a pour effet d'augmenter la densité de rayonnement et donc le taux d'expansion durant la période cosmique qui est dominée par le rayonnement, et elle repousse alors, dans l'échelle cosmique, le moment où rayonnement et matière se trouvent à égalité vers une époque plus proche de nous. Avec un Neff = 4, d'après les chercheurs, la taille de l'horizon se retrouve réduite de quelques pourcents et H0 est alors augmentée de 7 km/s/Mpc pour un Univers plat (ce qui l'amènerait à environ 74 km/s/Mpc), ce qui est largement suffisant pour réconcilier les mesures de Riess et celles du satellite Planck aux deux extrémités de l'échelle cosmique...

Henri SOY a dit…

Pour Neff = 4, ça voudrait dire qu'il y a une autre famille de neutrinos ?

Un neophyte a dit…

Bonjour et merci pour vos excellent articles
le néophyte que je suis se pose une question triviale:
Si le taux d'expansion est de 73,48 km/S/MPC un calcul simple permet de voir que les objets situés à environ 13,3 milliard d'années lumière s’éloignent de nous à la vitesse de la lumière. Tout ce qui est au delà de cette distance devrait donc être invisible. Hors on a découvert des galaxies a des distances plus grandes, sans parler du fond diffus cosmologique qui est encore plus loin.
En quoi mon raisonnement pêche-t-il?
Merci

Un neophyte a dit…

Bonjour, et merci pour vos excellents articles
En tant que néophyte je me pose une question triviale:
si le taux d'expansion de l'univers est de 73,48 km/s/MPC un simple calcul permet de voir qu'un objet situé à environ 13,3 Milliards d'années lumière s’éloigne à la vitesse de la lumière. Tout objet situé au delà de cette distance est donc invisible. Hors il a été détecte des galaxies à des distances plus grande il me semble, sans parler du fond diffus cosmologique qui est encore plus éloigné.
En quoi mon raisonnement pêche-t-il?
merci

Dr Eric SIMON a dit…

par exemple... mais il ne devrait pas être trop massif pour rester relativiste

Dr Eric SIMON a dit…

@Neophyte : attention, le taux d'expansion H0 est le taux d'expansion aujourd'hui, à z=0, le taux d'expansion varie au cours du temps cosmologique, mais à une époque donnée (un z donné), il est constant (H0 est la constante de Planck).
Mais il faut savoir que la vitesse de récession due à l'expansion peut être très supérieure à la vitesse de la lumière, cela a d'ailleurs été le cas largement durant la phase d'inflation.

Anonyme a dit…

@neophite
Un complément d'information.
La mesure du décalage vers le rouge nous renseigne sur le temps qu'a mis la lumière à nous parvenir (ou l'age de l'Univers au moment où la lumière a été émise).
Dans un univers en expansion une galaxie dont la lumière a mis x milliards d'années à nous parvenir ne se situe pas à x milliards d'al, elle est plus loin.
Dans le modèle du bigbang le rayon de l'Univers observable est environ égal à 3 fois l'age de l'univers (converti en al).
Ce qui entraîne que les galaxies les plus éloignées qu'on puisse observer aujourd'hui se situent actuellement à environ 40 milliards d'al.

Pascal a dit…

Euh... h est la constante de Planck, H la constante de Hubble, de quoi s’emmêler un peu les pinceaux :-)

Dr Eric SIMON a dit…

;-))) Superbe coquille de ma part, faut que je prenne des vacances! H0 est bien sûr la constante de Hubble, tout le monde ici aura corrigé de lui-même.

Nickrich a dit…

Bonjour, et merci pour vos articles toujours des plus intéressants. Je suis très loin d’être un connaisseur et je me pose la question suivante. Comment peut-on déterminer que l’univers est en expension actuellement tirant les infos à partir de photons ayant été émis il y a de milliards d’années ? Si cette année l’univers commençait à se compresser j’imagine qu’on pourrait pas le savoir avant plusieurs milliards d’années non ? Je m’en permet une autre. Si plus on regarde loin, donc plus loin dans le passé, on observe un univers en expension de plus en plus rapide, pourquoi inverse t-on pas le raisonnement en disant que plus on regarde vers le présent on observe un univers qui gonfle moins rapidement ? Il me semble que dans notre univers local la gravitation domine.

Dr Eric SIMON a dit…

L'expansion est mesurable grâce au décalage spectral des longueurs d'ondes vers le rouge, qui est la différence entre la longueur d'onde observée ici et maintenant avec la longueur d'onde émise par une galaxie distante. Ce décalage est déjà perceptible pour une distance de quelques centaines de millions d'années-lumière, il n'est pas besoin d'aller très au delà du milliard d'années-lumière pour le mettre en évidence. A l'échelle de l'Univers, 200 millions d'années, c'est maintenant, ou presque. Etant donnés tous les paramètres cosmologiques que l'on mesure, rien ne pourrait produire une soudaine compression, d'autant que le taux d'expansion est au contraire en train de s'accélérer. Attention, vous faites une petite erreur, l'expansion ne s'accélère pas dans l'Univers lointain, ce sont les vitesses de récession qui augmentent en fonction de la distance, le facteur de proportionnalité est justement le taux d'expansion H (v=H.d) et ce taux d'expansion était plus faible dans l'Univers jeune (la gravitation dominait) alors que depuis 6 milliards d'années, c'est l'énergie noire (ou constante cosmologique) qui domine et le taux d'expansion augmente : l'expansion s'accélère actuellement.

Nickrich a dit…

Étant ni mathématicien ni physicien mais simplement passionné par l’astronomie, je vais garder votre réponse et prendre le temps de la creuser un peu puisque je ne suis pas sur de tout comprendre. Ceci dit, merci infiniment de prendre le temps de lire nos commentaires et questions et y répondre avec la même passion avec laquelle vous écrivez vos articles.