lundi 30 janvier 2017

Contradiction entre les télescopes Hubble et Planck : vers une nouvelle cosmologie ?

Les mesures de l'expansion de l'Univers par les télescopes spatiaux Hubble et Planck sont inconciliables. Les astronomes et les physiciens planchent sur un nouveau modèle cosmologique

Lentilles gravitationnelles
C'était, d'après ses promoteurs, le triomphe de « la cosmologie de précision », une expression frappante de l'un des pères de Planck, le satellite cosmologique européen. Planck, observant trois ans durant le ciel entier, avait permis aux astronomes, en filtrant soigneusement le rayonnement infrarouge et submillimétrique auquel était sensible ce satellite, de révéler avec précision, justement, le rayonnement de fond cosmologique, cette faible lueur issue du big bang. L'étude de ce rayonnement qui emplit l'Univers, c'est à dire l'étude de sa température et de sa forme, avait ensuite permis aux cosmologistes de dresser le portrait en majesté, figuratif, net et définitif, du cosmos... En quatre chiffres. Age de l'Univers ? 13,8 milliards d'années. Contenu en matière ? 4,9 %. Contenu en matière et énergie sombres ? 95,1 %. Vitesse d'expansion ? 67 km/s/Mpc.
Bien sûr, les taquins faisaient remarquer que 95,1 % de ce bilan matériel et énergétique universel était d'origine totalement inconnue, mais il n'empêche, à ce mystère qui demeure à résoudre près, le cosmos entier était mis en équation, et l'imago mundi proposée par Planck était cohérente...
Il est vrai que les progrès cosmologiques contemporains impressionnent, lorsqu'on compare l'état de l'art actuel à l'astronomie des années 1980... A l'époque, deux écoles, l'une menée par le Français Gérard de Vaucouleurs, l'autre par l'Américain Allan Sandage, proposaient deux cosmos radicalement différents : l'un âgé d'une dizaine de milliards d'années, animé d'une vitesse de 100 km/s/Mpc, l'autre vieux d'une vingtaine de milliards d'année, croisant à 50 km/s/Mpc environ...
Ces vitesses, c'est la fameuse constante de Hubble...C'est à dire la constante de proportionnalité qui existe entre distance et vitesse de récession apparente des galaxies. En d'autres termes, elle mesure la vitesse d'expansion de l'Univers et s'exprime en kilomètres par seconde par mégaparsec. Et si la mesure de la constante de Hubble était si cruciale, c'est que l'inverse de la constante de Hubble, c'est l'âge de l'Univers...

Bienvenue dans l'ère de la cosmologie de précision

La mise en service du télescope spatial Hubble, et le coup de sifflet final de la bagarre entre les deux astronomes soufflé par l'astronome américaine Wendy Freedman mis tout le monde d'accord : de Vaucouleurs et Sandage avaient tous les deux tort, tous les deux raison ! L'Univers était âgé de 15 milliards d'années, et la constante de Hubble, mesurée pour la première fois par Hubble il y a presque un siècle, avait pour valeur 75 km/s/Mpc...
Fin de l'histoire ? Non. Depuis, les astronomes ont découvert que l'expansion de l'Univers est accélérée par une énergie « sombre » d'origine inconnue, et que la constante de Hubble change au fil du temps. Enfin, avec Planck, les « constantes » au sens large de l'Univers avaient été définies... définitivement.
Du moins le croyait-on. L'an dernier, l'édifice cosmologique a commencé à se lézarder. Utilisant le télescope spatial Hubble, l'astronome américain Adam Riess et ses collaborateurs ont re re re mesuré (pour la dix millième fois sans doute depuis Edwin Hubble à l'observatoire du mont Wilson...) la fameuse constante, et trouvé une valeur en contradiction avec Planck. 67 km/s/Mpc pour Planck, donc, 73 km/s/Mpc pour Riess. Les mesures de Planck sont intégrées, elles représentent le résultat indirect des mesures de tous les paramètres cosmologiques. Celles de Riess et du télescope spatial sont bien plus triviales : Riess, comme avant lui Hubble, Sandage, de Vaucouleurs, Freedman, a mesuré, dans des dizaines de galaxies, l'éclat d'étoiles variables de luminosité absolue comparables, les géantes rouges Céphéides, et les explosions de supernovae, elles aussi d'éclat absolu comparables. Ces mesures photométriques sont donc directes, celles de Planck, indirectes. Les deux groupes de scientifiques ont réalisé que quelque chose clochait entre ces deux valeurs de la constante de Hubble, mais quoi ?
Dans ce contexte, le résultat de l'étude de la constante de Hubble que vient de publier cette semaine l'équipe internationale de Sherry Suyu sonne comme un coup de poing sur la table des théoriciens par les observateurs car non seulement elle conforte les observations d'étoiles par Riess, mais, en plus, elle le fait par une technique totalement différente et indépendante ! Pour Suyu, la constante de Hubble vaut 72 km/s/Mpc. L'astronome canadienne d'origine taïwanaise et son équipe n'a pas lésiné sur les moyens pour reprendre les travaux de Riess et Freedman avant elle : le télescope Hubble (forcément) les télescopes géants Keck, VLT, Gemini, plus une ribambelle d'autres instruments...

La mesure de Planck est probablement fausse, mais pourquoi ?

La technique de mesure choisie par l'équipe de Sherry Suyu est d'une grande élégance, elle utilise l'un des effets les plus spectaculaires de la relativité générale : les lentilles gravitationnelles. Les masses, dans l'Univers, courbent l'espace qui les contient. S'en suivent des effets de mirages gravitationnels, bien connus des astronomes, qui leur permettent d'étudier les propriétés géométriques de l'Univers. Pour mesurer précisément la constante de Hubble, l'équipe de Suyu a observé les images multiples de quasars lointains, images créées par des galaxies « lentilles » d'avant-plan. Puis Suyu a mesuré la longueur du trajet de la lumière de chaque image, grâce aux sautes de luminosité des quasars observés. La mesure précise de ces trajets lumineux, sur plusieurs milliards d'années-lumière, donne, via les équations de la relativité générale, la mesure de l'expansion cosmique, et donc la valeur de la constante de Hubble...
Bref, les deux mesures astronomiques, l'une photométrique, l'autre géométrique, sont en accord parfait et montrent que, très probablement, la mesure calculée d'après les observations de Planck est... fausse.
Mais pourquoi ? D'après les spécialistes, les mesures de Planck ne peuvent pas être mises en cause, il s'agit bien de « cosmologie de précision », c'est donc dans les postulats qui ont amené aux résultats du satellite européen qu'il faudrait chercher la faille. En clair, il y a quelque chose que l'on ne comprend pas dans le modèle standard de l'Univers, c'est du côté théorique, physique, qu'il faut chercher une explication à ces deux univers qui ne « collent pas », à ces univers « à deux vitesses » contradictoires...
La mesure, a priori plus précise, de la constante de Hubble par Riess puis Suyu, si elle contredit le modèle actuel de l'Univers est une bonne nouvelle pour les cosmologistes. Elle leur entre-ouvre sans doute une fenêtre nouvelle sur l'Univers. Est ce que le statut de la bien mystérieuse énergie sombre qui accélère l'expansion cosmique va changer ? Est ce que matière noire et énergie sombre vont s'éclaircir un peu au vu de ces nouvelles mesures ? Une nouvelle physique va t-elle émerger de ces contradictions observationnelles et théoriques ? Peut-être. Une chose, cependant, est sûre : dans quelques mois, les premiers résultats de l'arpentage céleste du satellite Gaïa vont être publiés. Parmi les mesures les plus attendues, celles des étoiles Céphéides, dont on connaîtra l'éclat absolu réel avec une, espérons-le, sidérale précision. Ces mêmes Céphéides qui sont à l'origine des mesures de la constante de Hubble depuis Edwin Hubble, jusqu'au télescope spatial Hubble.

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