Notre compréhension de la véritable nature du cosmos repose sur des mesures de son expansion, mais les cosmologistes en débattent depuis plus de 100 ans.
Harlow Shapley et Heber Curtis ont débattu de la nature des galaxies comme Andromède en 1920
Les astronomes et les cosmologistes ne sont pas connus pour être incroyables dans les adjectifs. Prenez le Very Large Telescope, ou le Extremely Large Telescope européen, ou même le Big Bang. Mais ils n’avaient pas tort à propos de l’événement de 1920, aujourd’hui appelé le Grand Débat.
C'était le printemps à l'Académie nationale des sciences des États-Unis à Washington DC, et deux grands astronomes ont lancé l'un des sujets les plus controversés dans le domaine avec des opinions opposées sur ce qu'ils appelaient l'échelle de l'univers. Vous voyez, l'univers est en expansion. À chaque instant, de plus en plus d’espace apparaît entre les étoiles et tout s’éloigne de plus en plus. Et comme nous le savons désormais, cela se produit de plus en plus vite.
Cette expansion est expliquée dans les calculs astronomiques par un nombre appelé constante de Hubble, introduit par l'astronome Edwin Hubble en 1929. Mais le débat sur la nature exacte de ce nombre – à quelle vitesse l'univers crée plus d'univers – a commencé bien avant cette année-là. Au début des années 1900, de nombreux scientifiques pensaient que la Voie lactée représentait l’univers entier. Après tout, nous n’avions pas encore la technologie nécessaire pour voir au-delà de notre propre galaxie. Quelques taches étranges ont tout changé. Au début, ces taches étaient appelées nébuleuses spirales, et les cosmologistes du monde entier se demandaient si elles se trouvaient dans notre propre galaxie ou si elles étaient effectivement des galaxies elles-mêmes.
En 1920, toutes ces disputes culminèrent avec le Grand Débat. Deux chercheurs renommés, Harlow Shapley et Heber Curtis, ont donné des conférences préparées au grand public sur la question de savoir si les nébuleuses spirales, y compris ce que nous appelons aujourd'hui Andromède, étaient de petits nuages à la limite de notre galaxie – ce qui signifierait que notre galaxie était la seule chose qui existe – ou si les nébuleuses étaient en réalité des galaxies au-delà de la nôtre, ce qui impliquerait un univers beaucoup plus grand et plus sauvage.
L'argument de Shapley était basé sur des mesures de la distance aux étoiles connues sous le nom de variables céphéides, ce qui l'a amené à croire que nous vivions dans une vaste galaxie d'environ 300 000 années-lumière de large. C'est 10 fois plus gros que ce que l'on pensait auparavant et, selon Shapley, il était impossible que les nébuleuses spirales soient plus loin que cela.
Curtis, de son côté, affirmait que ces étranges nébuleuses étaient ce qu’on appelle des univers insulaires – en substance, d’autres galaxies. Il avait observé des explosions stellaires appelées novae et avait découvert qu'Andromède en possédait plus que le reste de la Voie lactée. Il s'est demandé si ce n'était qu'une petite partie de notre galaxie, pourquoi y aurait-elle autant plus d'explosions que n'importe quelle autre partie ? De plus, les nébuleuses spirales semblaient se déplacer extrêmement rapidement dans la galaxie. S’ils se déplaçaient vraiment si rapidement, ils ne pourraient en aucun cas être liés gravitationnellement à notre galaxie et s’inscrire toujours dans les modèles d’astrophysique dominants de l’époque.
Les deux hommes ont présenté leurs arguments dans deux conférences, suivies d'une série d'articles, mais aucune conclusion n'a été tirée et il ne reste aucune transcription des conférences. À mon avis, il ne s’agissait pas simplement du Grand Débat, mais du Premier Grand Débat. Bien que Curtis ait finalement eu raison, le débat sur la constante de Hubble – et donc sur la taille et l’âge de notre univers – fait rage. Et même si les arguments d’aujourd’hui reposent sur des données plus récentes et meilleures que celles de 1920, ils reposent sur les fondations posées par Shapley et Curtis.
La constante de Hubble est mesurée en unités appelées kilomètres par seconde par mégaparsec. Un mégaparsec représente un peu plus de 3,25 millions d’années-lumière, ce qui en fait une unité que les astronomes utilisent pour des distances particulièrement grandes. Une constante de Hubble de 1 signifierait que pour chaque mégaparsec que nous nous éloignons de notre position sur Terre, les objets s'éloignent de nous 1 kilomètre par seconde plus rapidement. Pensez-y de cette façon : si chaque mètre d'espace s'allonge d'un centimètre, alors quelque chose qui se trouvait auparavant à 1 mètre s'éloigne un peu, mais quelque chose qui se trouvait auparavant à 1 700 kilomètres s'éloigne beaucoup. La valeur initiale de la constante de Hubble, calculée par Hubble lui-même en 1929, était d'environ 500 kilomètres par seconde par mégaparsec. Il pensait donc que pour chaque mégaparsec que l'on éloignait de la Terre, les galaxies s'éloignaient 500 kilomètres par seconde plus rapidement.
Ce chiffre a immédiatement suscité la controverse. D’une part, si nous supposons que l’univers s’est étendu à un rythme uniforme depuis sa création – ce que nous pensions généralement à l’époque, même si aujourd’hui cela n’est plus considéré comme vrai – cela signifierait que l’âge de l’univers était d’environ 2 milliards d’années. Et grâce à la datation radioactive des roches, nous savions déjà dans les années 1920 que la Terre avait au moins 2 milliards d’années, voire plus. Donc, si la constante de Hubble était de 500, cela pourrait signifier que notre planète était plus ancienne que l’univers, ce qui ne pourrait pas être vrai.
Vers les années 1980, les choses s’étaient cristallisées à tel point que la plupart des astronomes avaient deux opinions sur la constante de Hubble. C'était comme une nouvelle fois un Grand Débat au ralenti, cette fois entre l'astronome français Gérard de Vaucouleurs et l'Américain Allan Sandage. De Vaucouleurs pensait que la constante de Hubble était d'environ 100, et Sandage qu'elle était inférieure, autour de 50. Ils utilisaient des méthodes similaires, mais chacun était en désaccord avec les hypothèses et les mesures de l'autre. Ils ont rédigé des articles à ce sujet pendant plus d’une décennie, et aucun d’eux n’a voulu bouger.
Les choses ont recommencé à bouger dans les années 90, lorsque les télescopes se sont encore une fois considérablement améliorés avec le lancement du télescope spatial Hubble et l'arrivée d'une jeune cosmologiste nommée Wendy Freedman. Elle a dirigé ce qu'on a appelé le projet Hubble Key, qui mesurait toutes sortes d'objets – y compris les variables céphéides, les supernovae et d'autres bougies dites standards, dont les luminosités prévisibles les rendent si importantes pour comprendre la constante de Hubble – avec beaucoup plus de précision que celle à laquelle nous avions accès auparavant. Cet effort a finalement conduit à une valeur de la constante de Hubble d'environ 72. Au fil du temps, toutes les autres méthodes utilisant des bougies standards pour mesurer les distances ont lentement convergé vers la même valeur. Même les mesures de bougies standard les plus récentes se maintiennent à une constante de Hubble d'environ 73 kilomètres par seconde par mégaparsec.
Cela signifie que le débat sur la constante de Hubble a été résolu, n'est-ce pas ? Très bien non. Au début des années 2000, les astronomes ont commencé à utiliser le fond diffus cosmologique (CMB), les restes de lumière du big bang, pour mesurer l’expansion de l’univers. Alors que toutes les autres mesures directes sont appelées échelle de distance locale, cette méthode repose sur la mesure de l’état de l’univers primitif et son extrapolation à l’aide de nos meilleurs modèles de l’univers. La méthode CMB donne une constante de Hubble d'environ 67.
Maintenant, une fois de plus, nous avons un autre Grand Débat – le troisième, si vous comptez. Cette fois, ce n’est pas 50 contre 100 ; c'est 67 contre 73, donc nous nous rapprochons. Mais chaque partie est également catégorique sur le fait qu’il n’y a aucun problème avec leurs mesures.
Ce qui accompagne le débat sur la constante de Hubble qui est la bonne est un autre débat plus large : est-ce que la constante de Hubble pourrait être la bonne ? les deux les mesures sont-elles correctes ? Connu sous le nom de tension de Hubble, cela suggère qu'à mesure que les mesures de l'échelle de distance deviennent de plus en plus précises et que nous excluons de plus en plus de sources d'erreur possibles, l'argument selon lequel elles ont toutes deux raison devient de plus en plus fort – ce qui pourrait signifier que nous avons besoin d'une physique entièrement nouvelle à laquelle nous n'avons pas encore pensé.
Cette version moderne du Grand Débat est plus complexe que jamais et elle sera donc encore plus difficile à résoudre, même si les deux côtés sont plus proches que jamais. Pour parvenir à une conclusion finale, nous aurons besoin de méthodes plus indépendantes pour mesurer la constante de Hubble. Freedman travaille sur quelques-unes de ces méthodes utilisant différents types d'étoiles, et d'autres astronomes utilisent des méthodes plus exotiques qui impliquent l'analyse de la propagation de la gravité à travers l'univers pour atteindre des mesures complètement indépendantes de l'expansion cosmique. Pour l’heure, les débats font rage.
