La « tension de Hubble », un écart dans le taux d’expansion de l’univers, est polluée grâce aux efforts combinés des télescopes spatiaux Hubble et James Webb, révélant des inexactitudes potentielles dans les mesures cosmiques et faisant allusion à de nouveaux phénomènes physiques. Crédit : SciTechDaily.com
Les mesures Webb jettent un nouvel éclairage sur un mystère qui dure depuis une décennie
L’une des trois justifications scientifiques avancées par le Congrès américain pour construire le Le télescope spatial Hubble était d’utiliser sa puissance d’observation pour donner une valeur exacte du taux d’expansion de l’univers. Avant le lancement de Hubble en 1990, les observations effectuées à partir de télescopes au sol produisaient d’énormes incertitudes. Selon le taux d’expansion, l’univers pourrait avoir entre 10 et 20 milliards d’années. Au cours des 34 dernières années, Hubble a réduit cette valeur à un niveau précision approchant un pour cent. Ceci a été accompli en affinant ce que l’on appelle « l’échelle de distance cosmique » en mesurant l’étalon-or des marqueurs cosmiques connus sous le nom d’étoiles variables céphéides.
Cependant, les résultats ont intrigué les cosmologistes pendant une décennie. Les meilleures mesures de Hubble montrent que l’univers s’étend désormais plus rapidement que prévu, sur la base des observations de son apparence peu après la création de l’univers. Big Bang. Ces observations ont été réalisées grâce à la cartographie par satellite Planck du rayonnement de fond cosmique des micro-ondes – une sorte de schéma directeur de la façon dont la structure de l’univers évoluerait après son refroidissement suite au Big Bang.
La solution simple au dilemme est de dire que les observations de Hubble sont peut-être fausses en raison d’une inexactitude rampante dans son évaluation de l’espace lointain. Puis est arrivé le Télescope spatial James Webb pour vérifier les résultats de Hubble. Les vues infrarouges nettes des Céphéides prises par Webb concordaient avec les données de Hubble. Webb a confirmé que l’œil vif du télescope Hubble avait toujours raison.
L’essentiel est que la soi-disant « tension de Hubble » entre ce qui se passe dans l’univers proche et l’expansion de l’univers primitif reste une énigme fascinante pour les cosmologistes. Il se peut qu’il y ait quelque chose de tissé dans le tissu de l’espace que nous ne comprenons pas encore.
Cette image de NGC 5468, une galaxie située à environ 130 millions d’années-lumière de la Terre, combine les données des télescopes spatiaux Hubble et James Webb. Il s’agit de la galaxie la plus éloignée dans laquelle Hubble a identifié des étoiles variables céphéides. Ce sont des jalons importants pour mesurer le taux d’expansion de l’univers. La distance calculée à partir des Céphéides a été corrélée avec une supernova de type Ia dans la galaxie. Les supernovae de type Ia sont si brillantes qu’elles sont utilisées pour mesurer des distances cosmiques bien au-delà de la portée des Céphéides, étendant ainsi les mesures du taux d’expansion de l’univers plus profondément dans l’espace. Crédit : NASA, ESA, CSA, STScI, Adam G. Riess (JHU, STScI)
Les télescopes Webb et Hubble de la NASA confirment le taux d’expansion de l’univers, le puzzle persiste
Lorsque vous essayez de résoudre l’une des plus grandes énigmes de la cosmologie, vous devez vérifier trois fois vos devoirs. L’énigme, appelée « tension de Hubble », est que le taux actuel d’expansion de l’univers est plus rapide que ce à quoi les astronomes s’attendent, sur la base des conditions initiales de l’univers et de notre compréhension actuelle de l’évolution de l’univers.
Les scientifiques utilisant le télescope spatial Hubble de la NASA et de nombreux autres télescopes trouvent systématiquement un nombre qui ne correspond pas aux prévisions basées sur les observations de l’ESA (Agence spatiale européenne‘s) Mission Planck. La résolution de cet écart nécessite-t-elle une nouvelle physique ? Ou est-ce le résultat d’erreurs de mesure entre les deux méthodes différentes utilisées pour déterminer le taux d’expansion de l’espace ?
Hubble mesure le taux actuel d’expansion de l’univers depuis 30 ans et les astronomes veulent éliminer tout doute persistant quant à son exactitude. Aujourd’hui, Hubble et le télescope spatial James Webb de la NASA se sont associés pour produire des mesures définitives, renforçant ainsi l’hypothèse selon laquelle quelque chose d’autre – et non des erreurs de mesure – influence le taux d’expansion.
“Une fois les erreurs de mesure annulées, ce qui reste est la possibilité réelle et passionnante que nous ayons mal compris l’univers”, a déclaré Adam Riess, physicien à l’Université Johns Hopkins de Baltimore. Riess est titulaire d’un prix Nobel pour avoir co-découvert le fait que l’expansion de l’univers s’accélère, en raison d’un phénomène mystérieux désormais appelé « énergie noire ».
Au centre de ces images côte à côte se trouve une classe spéciale d’étoiles utilisée comme repère pour mesurer le taux d’expansion de l’univers – une étoile variable céphéide. Les deux images sont très pixellisées car elles représentent une vue très zoomée d’une galaxie lointaine. Chacun des pixels représente une ou plusieurs étoiles. L’image du télescope spatial James Webb est nettement plus nette dans les longueurs d’onde du proche infrarouge que celle de Hubble (qui est principalement un télescope à lumière ultraviolette visible). En réduisant l’encombrement de la vision tendue de Webb, la Céphéide se démarque plus clairement, éliminant toute confusion potentielle. Webb a été utilisé pour examiner un échantillon de Céphéides et a confirmé l’exactitude des observations précédentes de Hubble, fondamentales pour mesurer avec précision le taux d’expansion et l’âge de l’univers. Crédit : NASA, ESA, CSA, STScI, Adam G. Riess (JHU, STScI)
À titre de vérification croisée, une première observation de Webb en 2023 a confirmé que les mesures de Hubble sur l’univers en expansion étaient exactes. Cependant, dans l’espoir d’atténuer la tension de Hubble, certains scientifiques ont émis l’hypothèse que des erreurs invisibles dans les mesures pourraient augmenter et devenir visibles à mesure que nous approfondissons l’univers. En particulier, l’encombrement stellaire pourrait affecter de manière systématique les mesures de luminosité d’étoiles plus éloignées.
L’équipe SH0ES (Supernova H0 for the Equation of State of Dark Energy), dirigée par Riess, a obtenu des observations supplémentaires avec Webb d’objets qui sont des marqueurs cosmiques critiques, connus sous le nom d’étoiles variables céphéides, qui peuvent désormais être corrélées avec les données de Hubble.
“Nous avons désormais couvert toute la gamme de ce que Hubble a observé, et nous pouvons exclure une erreur de mesure comme cause de la tension de Hubble avec une très grande confiance”, a déclaré Riess.
Les premières observations Webb de l’équipe en 2023 ont réussi à montrer que Hubble était sur la bonne voie en établissant fermement la fidélité des premiers passages de ce que l’on appelle l’échelle de distance cosmique. (Voir le graphique ci-dessous.)
Cette illustration montre les trois étapes de base utilisées par les astronomes pour calculer la vitesse à laquelle l’univers se développe au fil du temps, une valeur appelée constante de Hubble. Toutes les étapes impliquent la construction d’une solide « échelle de distance cosmique », en commençant par mesurer les distances précises des galaxies proches, puis en se déplaçant vers des galaxies de plus en plus éloignées. Cette « échelle » est une série de mesures de différents types d’objets astronomiques dotés d’une luminosité intrinsèque que les chercheurs peuvent utiliser pour calculer des distances. Parmi les plus fiables pour les distances plus courtes figurent les variables céphéides, des étoiles qui pulsent à des rythmes prévisibles qui indiquent leur luminosité intrinsèque. Les astronomes ont récemment utilisé le télescope spatial Hubble pour observer 70 variables céphéides dans le Grand Nuage de Magellan voisin afin de mesurer la distance la plus précise possible avec cette galaxie. Les astronomes comparent les mesures des Céphéides proches à celles de galaxies plus éloignées qui incluent également un autre critère cosmique, les étoiles explosives appelées supernovas de type Ia. Ces supernovas sont beaucoup plus brillantes que les variables céphéides. Les astronomes les utilisent comme « bornes kilométriques » pour évaluer la distance entre la Terre et les galaxies lointaines. Chacun de ces marqueurs s’appuie sur l’étape précédente de « l’échelle ». En élargissant l’échelle à l’aide de différents types de bornes kilométriques fiables, les astronomes peuvent atteindre de très grandes distances dans l’univers. Les astronomes comparent ces valeurs de distance aux mesures de la lumière d’une galaxie entière, qui rougit de plus en plus avec la distance, en raison de l’expansion uniforme de l’espace. Les astronomes peuvent alors calculer la vitesse à laquelle le cosmos s’étend : la constante de Hubble. Crédits : NASA, ESA et A. Feild (STScI)
Les astronomes utilisent diverses méthodes pour mesurer les distances relatives dans l’univers, en fonction de l’objet observé. Collectivement, ces techniques sont connues sous le nom d’échelle de distance cosmique – chaque échelon ou technique de mesure s’appuie sur l’étape précédente pour l’étalonnage.
Mais certains astronomes suggèrent que, en s’éloignant le long de la « deuxième course », l’échelle de distance cosmique pourrait devenir fragile si les mesures des Céphéides devenaient moins précises avec la distance. De telles inexactitudes pourraient se produire parce que la lumière d’une céphéide pourrait se mélanger à celle d’une étoile adjacente – un effet qui pourrait devenir plus prononcé avec la distance à mesure que les étoiles se rassemblent et deviennent plus difficiles à distinguer les unes des autres.
Le défi de l’observation est que les images passées de Hubble de ces variables céphéides plus éloignées semblent plus regroupées et se chevauchent avec des étoiles voisines à des distances de plus en plus grandes entre nous et leurs galaxies hôtes, ce qui nécessite une prise en compte minutieuse de cet effet. La présence de poussière complique encore davantage la certitude des mesures en lumière visible. Webb coupe la poussière et isole naturellement les Céphéides des étoiles voisines car sa vision est plus nette que celle de Hubble dans les longueurs d’onde infrarouges.
« La combinaison de Webb et Hubble nous offre le meilleur des deux mondes. Nous constatons que les mesures de Hubble restent fiables à mesure que nous montons plus loin sur l’échelle des distances cosmiques », a déclaré Riess.
Les nouvelles observations de Webb incluent cinq galaxies hôtes de huit supernovae de type Ia contenant un total de 1 000 Céphéides, et s’étendent jusqu’à la galaxie la plus éloignée où les Céphéides ont été bien mesurées – NGC 5468 – à une distance de 130 millions d’années-lumière. «Cela couvre toute la gamme dans laquelle nous avons effectué des mesures avec Hubble. Nous sommes donc arrivés au bout du deuxième échelon de l’échelle des distances cosmiques », a déclaré le co-auteur Gagandeep Anand du Space Telescope Science Institute de Baltimore, qui exploite les télescopes Webb et Hubble pour NASA.
La confirmation supplémentaire par Hubble et Webb de la tension de Hubble met en place d’autres observatoires pour éventuellement résoudre le mystère. Le prochain télescope spatial romain Nancy Grace de la NASA effectuera de vastes études célestes pour étudier l’influence de l’énergie sombre, l’énergie mystérieuse qui accélère l’expansion de l’univers. L’observatoire Euclide de l’ESA, avec la contribution de la NASA, poursuit une tâche similaire.
À l’heure actuelle, c’est comme si l’échelle de distance observée par Hubble et Webb avait fermement fixé un point d’ancrage sur l’une des rives d’une rivière, et que la rémanence du Big Bang observée par les mesures de Planck depuis le début de l’univers était fermement fixée de l’autre côté. . La façon dont l’expansion de l’univers a évolué au cours des milliards d’années entre ces deux points limites n’a pas encore été directement observée. “Nous devons découvrir s’il nous manque quelque chose sur la façon de relier le début de l’univers et nos jours”, a déclaré Riess.
Ces résultats ont été publiés dans le numéro du 6 février 2024 de Thé Lettres de journaux astrophysiques.
Référence : « Les observations JWST rejettent l’encombrement non reconnu de la photométrie des céphéides comme explication de la tension de Hubble à 8σ de confiance » par Adam G. Riess, Gagandeep S. Anand, Wenlong Yuan, Stefano Casertano, Andrew Dolphin, Lucas M. Macri, Louise Breuval, Dan Scolnic, Marshall Perrin et Richard I. Anderson, 6 février 2024, Les lettres du journal astrophysique.
DOI : 10.3847/2041-8213/ad1ddd
Le télescope spatial Hubble fonctionne depuis plus de trois décennies et continue de faire des découvertes révolutionnaires qui façonnent notre compréhension fondamentale de l’univers. Hubble est un projet de coopération internationale entre la NASA et l’ESA. Le Goddard Space Flight Center de la NASA à Greenbelt, dans le Maryland, gère le télescope. Goddard mène également des opérations de mission avec Lockheed Martin Space à Denver, Colorado. Le Space Telescope Science Institute (STScI) de Baltimore, dans le Maryland, mène les opérations scientifiques Hubble et Webb pour la NASA.
Le télescope spatial James Webb est le premier observatoire scientifique spatial au monde. Webb résout les mystères de notre système solaire, regarde au-delà des mondes lointains autour d’autres étoiles et sonde les structures mystérieuses et les origines de notre univers et la place que nous y occupons. Webb est un programme international dirigé par la NASA avec ses partenaires, l’ESA (Agence spatiale européenne) et l’Agence spatiale canadienne.
