« Tension de Hubble » en cours dans le débat sur l’univers élargi – « Il n’y a peut-être pas de conflit après tout »

Une étoile géante rouge, Camelopardalis, émet une coquille de gaz lorsqu’une couche d’hélium autour de son noyau commence à fusionner. De tels événements aident les scientifiques à calculer la vitesse d’expansion de l’univers. Crédit : Agence spatiale européenne/NASA

Une nouvelle analyse de l’astronome de l’Université de Chicago a accepté le modèle standard dans la « tension de Hubble » en cours.

Notre univers est en expansion, mais notre principal moyen de mesurer la vitesse à laquelle cette expansion se produit a donné des réponses différentes. Au cours de la dernière décennie, les astrophysiciens se sont progressivement divisés en deux camps : l’un qui pense que la différence est significative et l’autre qui pense qu’elle peut être due à des erreurs de mesure.

S’il s’avère que des erreurs provoquent des discordances, cela confirmera notre modèle de base du fonctionnement de l’univers. Une autre possibilité introduit un fil qui, lorsqu’il est tiré, indique qu’une nouvelle physique fondamentale manquante est nécessaire pour le rattacher. Depuis plusieurs années, chaque nouvelle preuve provenant des télescopes a fait basculer l’argument, donnant lieu à la soi-disant « tension de Hubble ».

Wendy Friedman, astronome célèbre et professeur John et Marion Sullivan d’astronomie et d’astrophysique à l’Université de Chicago, a effectué des mesures originales du taux d’expansion de l’univers qui ont abouti à une valeur plus élevée pour la constante de Hubble. Mais dans un nouvel article de revue accepté Journal d’Astrophysique ةلة, Friedman donne un aperçu des observations les plus récentes. Sa conclusion : des observations récentes commencent à combler le vide.

Cela signifie qu’il n’y a peut-être pas de conflit après tout, et notre modèle standard de l’univers n’a pas besoin de beaucoup de modifications.

La vitesse à laquelle l’univers s’étend est appelée constante de Hubble, appelée UChicago alun Edwin Hubble, SB 1910, PhD 1917, qui est crédité de la découverte de l’expansion de l’univers en 1929. Les scientifiques veulent déterminer cette vitesse avec précision, car la constante de Hubble est liée à l’âge de l’univers et à son évolution dans le temps.

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Une ride majeure est apparue au cours de la dernière décennie lorsque les résultats des deux principales méthodes de mesure ont commencé à différer. Mais les scientifiques débattent encore de l’importance de l’inadéquation.

Une façon de mesurer la constante de Hubble est de regarder la très faible lumière laissée par le Big Bang, appelée fond diffus cosmologique. Cela a été fait dans l’espace et sur Terre à l’aide d’installations telles que le télescope du pôle Sud dirigé par UChicago. Les scientifiques peuvent entrer ces observations dans leur « modèle standard » de l’univers primitif et l’exécuter à temps pour prédire à quoi devrait ressembler la constante de Hubble aujourd’hui ; Ils obtiennent une réponse de 67,4 kilomètres par seconde par mégaparsec.

L’autre façon est de regarder les étoiles et les galaxies dans l’univers proche, et de mesurer leurs distances et à quelle vitesse elles s’éloignent de nous. Friedman était un expert de premier plan dans cette méthode pendant plusieurs décennies ; En 2001, son équipe a effectué l’une des mesures les plus remarquables à l’aide du télescope spatial Hubble pour imager des étoiles appelées Céphéides. La valeur qu’ils ont trouvée était de 72. Friedman a continué à mesurer les Céphéides au cours des années suivantes, examinant à chaque fois davantage de données de télescope. Cependant, en 2019, elle et ses collègues ont publié une réponse basée sur une méthode entièrement différente utilisant des étoiles appelées géantes rouges. L’idée était de vérifier les Céphéides de manière indépendante.

Les géantes rouges sont de très grandes étoiles lumineuses qui atteignent toujours le même pic de luminosité avant de disparaître rapidement. Si les scientifiques peuvent mesurer avec précision la luminosité maximale réelle ou intrinsèque des géantes rouges, ils peuvent alors mesurer les distances jusqu’à leurs galaxies hôtes, une partie essentielle mais délicate de l’équation. La question principale est de savoir quelle est la précision de ces mesures.

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La première version de ce calcul en 2019 utilisait une seule galaxie très proche pour calibrer la luminosité des étoiles géantes rouges. Au cours des deux dernières années, Friedman et ses collaborateurs ont calculé les chiffres de plusieurs galaxies et groupes d’étoiles différents. « Il existe maintenant quatre façons indépendantes d’étalonner la luminosité d’une géante rouge, et elles s’accordent à 1% les unes des autres », a déclaré Friedman. « Cela nous dit que c’est un très bon moyen de mesurer la distance. »

« Je voulais vraiment examiner attentivement à la fois les Céphéides et les géantes rouges. Je connais très bien leurs forces et leurs faiblesses », a déclaré Friedman. « Je suis arrivé à la conclusion que nous n’avons pas besoin d’une nouvelle physique fondamentale pour expliquer les différences entre les et des taux d’expansion lointains. Les données pour la nouvelle géante rouge semblent être cohérentes. »

Taylor Hoyt, étudiant diplômé de l’Université de Chicago, qui a effectué des mesures d’étoiles géantes rouges dans des galaxies ancres, a ajouté : « Nous continuons à mesurer et à tester les sous-étoiles géantes rouges de diverses manières, et elles continuent de dépasser nos attentes. »

La valeur de la constante de Hubble obtenue par l’équipe de Friedman à partir des géantes rouges est de 69,8 km/s/million de segments – environ la même que la valeur dérivée de l’expérience du fond diffus cosmologique. « Aucune nouvelle physique n’est requise », a déclaré Friedman.

Les calculs utilisant les étoiles céphéides donnent toujours des chiffres plus élevés, mais selon l’analyse de Friedman, la différence n’est peut-être pas alarmante. « Les étoiles céphéides ont toujours été un peu plus bruyantes et un peu plus compliquées à comprendre pleinement ; ce sont de jeunes étoiles dans des régions de formation d’étoiles actives dans les galaxies, et cela signifie qu’il y a un potentiel pour des choses comme la poussière ou la pollution d’autres étoiles des mesures, »

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À son avis, le conflit pourrait être résolu avec de meilleures données.

L’année prochaine, lorsque le télescope spatial James Webb devrait être lancé, les scientifiques commenceront à collecter ces nouvelles observations. Friedman et ses collaborateurs ont déjà eu du temps sur le télescope pour un programme majeur visant à effectuer davantage de mesures des étoiles géantes céphéides et des étoiles géantes rouges. « Webb nous donnera une sensibilité et une précision plus élevées, et les données s’amélioreront vraiment très bientôt », a-t-elle déclaré.

Mais en attendant, elle a voulu examiner de plus près les données existantes, et ce qu’elle a découvert, c’est qu’une grande partie d’entre elles concordaient réellement.

« C’est ainsi que fonctionne la science », a déclaré Friedman. « Vous donnez un coup de pied aux pneus pour voir si quelque chose se dégonfle, et jusqu’à présent, aucune crevaison.

Certains chercheurs qui ont été en faveur de l’incompatibilité intrinsèque peuvent être déçus. Mais pour Friedman, l’une ou l’autre réponse est passionnante.

« Il y a encore de la place pour la nouvelle physique, mais même s’il n’y a pas de place pour la nouvelle physique, cela montrerait que notre modèle standard est fondamentalement correct, ce qui est également une conclusion profonde à tirer », a-t-elle déclaré. « Voici la chose intéressante à propos de la science : nous ne connaissons pas les réponses à l’avance. Nous apprenons au fur et à mesure que nous avançons. C’est une période vraiment excitante pour être dans ce domaine. « 

Référence : « Mesures de la constante de Hubble : Tensions en perspective » par Wendy Friedman, 30 juin 2021, Journal d’Astrophysique ةلة.

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