Les observations combinées de la NIRCam (Near-Infrared Camera) de la NASA et de la WFC3 (Wide Field Camera 3) de Hubble montrent la galaxie spirale NGC 5584, qui réside à 72 millions d’années-lumière de la Terre. Parmi les étoiles brillantes de NGC 5584 se trouvent des étoiles pulsantes appelées variables céphéides et des supernovas de type Ia, une classe spéciale d’étoiles explosives. Les astronomes utilisent les variables céphéides et les supernovae de type Ia comme marqueurs de distance fiables pour mesurer le taux d’expansion de l’univers. Crédit : NASA, ESA, CSA et A. Riess (STScI)
La « tension de Hubble » désigne la différence entre le taux d’expansion observé et attendu de l’univers. Le Télescope spatial James Webb affine les mesures précédemment effectuées par le Le télescope spatial Hubble. Malgré les progrès, des questions persistent concernant l’expansion rapide de l’univers et les phénomènes cosmiques sous-jacents potentiels.
La vitesse à laquelle l’univers s’étend, connue sous le nom de constante de Hubble, est l’un des paramètres fondamentaux pour comprendre l’évolution et le destin ultime du cosmos. Cependant, une différence persistante appelée « tension de Hubble » est observée entre la valeur de la constante mesurée avec une large gamme d’indicateurs de distance indépendants et sa valeur prédite à partir du Big Bang rémanence.
NASALe télescope spatial James Webb de fournit de nouvelles capacités pour examiner et affiner certaines des preuves observationnelles les plus solides de cette tension. Le lauréat du prix Nobel Adam Riess de l’Université Johns Hopkins et du Space Telescope Science Institute présente ses travaux récents et ceux de ses collègues utilisant les observations de Webb pour améliorer la précision des mesures locales de la constante de Hubble.
Le défi de la mesure cosmique
« Avez-vous déjà eu du mal à voir un signe qui se trouvait à la limite de votre champ de vision ? Ça dit quoi? Qu’est-ce que ça veut dire? Même avec les télescopes les plus puissants, les « signes » que les astronomes veulent lire semblent si petits que nous avons également du mal.
« Le signe que les cosmologistes veulent lire est un signe de limite de vitesse cosmique qui nous indique la vitesse à laquelle l’univers se développe – un nombre appelé constante de Hubble. Notre signe est inscrit dans les étoiles des galaxies lointaines. La luminosité de certaines étoiles dans ces galaxies nous indique à quelle distance elles se trouvent et donc pendant combien de temps cette lumière a voyagé pour nous atteindre, et les redshifts des galaxies nous indiquent à quel point l’univers s’est étendu au cours de cette période, nous indiquant ainsi L’expansion taux.
Ce diagramme illustre la puissance combinée des télescopes spatiaux Hubble et Webb de la NASA pour déterminer des distances précises jusqu’à une classe spéciale d’étoiles variables utilisée pour calibrer le taux d’expansion de l’univers. Ces étoiles variables céphéides sont visibles dans des champs d’étoiles bondés. La contamination lumineuse des étoiles environnantes peut rendre la mesure de la luminosité d’une céphéide moins précise. La vision infrarouge plus nette de Webb permet d’isoler plus clairement une cible céphéide des étoiles environnantes, comme le montre le côté droit du diagramme. Les données Webb confirment l’exactitude de 30 années d’observations des Céphéides par Hubble, qui ont été essentielles à l’établissement de l’échelon inférieur de l’échelle des distances cosmiques pour mesurer le taux d’expansion de l’univers. À gauche, NGC 5584 est visible dans une image composite de la NIRCam (caméra proche infrarouge) de Webb et de la caméra grand champ 3 de Hubble. Crédit : NASA, ESA, A. Riess (STScI), W. Yuan (STScI)
« Une classe particulière d’étoiles, les variables céphéides, nous a fourni les mesures de distance les plus précises depuis plus d’un siècle parce que ces étoiles sont extraordinairement brillantes : ce sont des étoiles supergéantes, cent mille fois la luminosité du Soleil. De plus, ils palpitent (c’est-à-dire se dilatent et se contractent) sur une période de plusieurs semaines qui indique leur luminosité relative. Plus la période est longue, plus ils sont intrinsèquement brillants. Ils constituent l’outil de référence pour mesurer les distances des galaxies situées à une centaine de millions d’années-lumière ou plus, une étape cruciale pour déterminer la constante de Hubble. Malheureusement, les étoiles des galaxies sont regroupées dans un petit espace par rapport à notre point d’observation éloigné et nous manquons donc souvent de résolution pour les séparer de leurs voisines en visibilité directe.
La contribution de Hubble et les progrès de Webb
« L’une des principales justifications de la construction du télescope spatial Hubble était de résoudre ce problème. Avant le lancement de Hubble en 1990 et les mesures ultérieures des Céphéides, le taux d’expansion de l’univers était si incertain que les astronomes ne savaient pas si l’univers était en expansion depuis 10 ou 20 milliards d’années. En effet, un taux d’expansion plus rapide entraînera un âge plus jeune de l’univers, et un taux d’expansion plus lent entraînera un âge plus avancé de l’univers. Hubble a une meilleure résolution en longueur d’onde visible que n’importe quel télescope au sol, car il se situe au-dessus des effets de flou de l’atmosphère terrestre. En conséquence, il peut identifier les variables individuelles des Céphéides dans les galaxies situées à plus de cent millions d’années-lumière et mesurer l’intervalle de temps pendant lequel leur luminosité change.
« Cependant, nous devons également observer les Céphéides dans la partie proche infrarouge du spectre pour voir la lumière qui passe indemne à travers la poussière intermédiaire. (La poussière absorbe et diffuse la lumière optique bleue, rendant les objets éloignés pâles et nous faisant croire qu’ils sont plus loin qu’ils ne le sont). Malheureusement, la vision de la lumière rouge de Hubble n’est pas aussi nette que celle du bleu, de sorte que la lumière des étoiles des Céphéides que nous voyons là-bas est mélangée à d’autres étoiles dans son champ de vision. Nous pouvons prendre en compte la quantité moyenne de mélange, statistiquement, de la même manière qu’un médecin calcule votre poids en soustrayant le poids moyen des vêtements de la lecture de la balance, mais cela ajoute du bruit aux mesures. Les vêtements de certaines personnes sont plus lourds que d’autres.
« Cependant, la vision infrarouge précise est l’un des superpouvoirs du télescope spatial James Webb. Grâce à son grand miroir et à ses optiques sensibles, il peut facilement séparer la lumière des Céphéides des étoiles voisines avec peu de mélange. Au cours de la première année d’exploitation de Webb avec notre programme General Observers 1685, nous avons collecté des observations de Céphéides trouvées par Hubble à deux niveaux de ce que l’on appelle l’échelle des distances cosmiques. La première étape consiste à observer les Céphéides dans une galaxie avec une distance géométrique connue qui nous permet de calibrer la véritable luminosité des Céphéides. Pour notre programme, cette galaxie est NGC 4258. La deuxième étape consiste à observer les Céphéides dans les galaxies hôtes des récentes supernovae de type Ia. La combinaison des deux premières étapes transfère la connaissance de la distance aux supernovae pour calibrer leurs véritables luminosités. La troisième étape consiste à observer ces supernovae au loin, là où l’expansion de l’univers est apparente et peut être mesurée en comparant les distances déduites de leur luminosité et les redshifts des galaxies hôtes de la supernova. Cette séquence d’étapes est connue sous le nom d’échelle de distance.
« Nous avons récemment obtenu nos premières mesures Webb des étapes un et deux, ce qui nous permet de compléter l’échelle de distance et de comparer aux mesures précédentes avec Hubble (voir figure). Les mesures de Webb ont considérablement réduit le bruit dans les mesures des Céphéides en raison de la résolution de l’observatoire à longueurs d’onde du proche infrarouge. Ce genre d’amélioration fait rêver les astronomes ! Nous avons observé plus de 320 Céphéides au cours des deux premières étapes. Nous avons confirmé que les mesures antérieures du télescope spatial Hubble étaient précises, bien que plus bruyantes. Nous avons également observé quatre autres hôtes de supernova avec Webb et nous constatons un résultat similaire pour l’ensemble de l’échantillon.
Comparaison des relations période-luminosité des Céphéides utilisées pour mesurer les distances. Les points rouges proviennent de Webb de la NASA et les points gris de Hubble de la NASA. Le panneau supérieur concerne NGC 5584, l’hôte de la supernova de type Ia, avec l’encart montrant des tampons d’image de la même Céphéide vue par chaque télescope. Le panneau inférieur concerne NGC 4258, une galaxie avec une distance géométrique connue, l’encart montrant la différence de modules de distance entre NGC 5584 et NGC 4258, telle que mesurée avec chaque télescope. Les deux télescopes sont en excellent accord. Crédit : NASA, ESA, A. Riess (STScI) et G. Anand (STScI)
Le mystère persistant de la tension de Hubble
« Ce que les résultats n’expliquent toujours pas, c’est pourquoi l’univers semble se développer si rapidement ! Nous pouvons prédire le taux d’expansion de l’univers en observant son image de bébé, le fond diffus cosmologique, puis en utilisant notre meilleur modèle de sa croissance au fil du temps pour nous dire à quelle vitesse l’univers devrait s’étendre aujourd’hui. Le fait que la mesure actuelle du taux d’expansion dépasse largement les prévisions est un problème qui dure maintenant depuis une décennie et qui est appelé « la tension de Hubble ». La possibilité la plus excitante est que la Tension soit un indice sur quelque chose qui nous manque dans notre compréhension du cosmos.
« Cela peut indiquer la présence d’énergie noire exotique, de matière noire exotique, une révision de notre compréhension de la gravité ou la présence d’une particule ou d’un champ unique. L’explication la plus banale serait celle de multiples erreurs de mesure conspirant dans la même direction (les astronomes ont exclu une seule erreur en utilisant des étapes indépendantes), c’est pourquoi il est si important de refaire les mesures avec une plus grande fidélité. Avec Webb confirmant les mesures de Hubble, les mesures de Webb fournissent la preuve la plus solide à ce jour que les erreurs systématiques dans la photométrie des Céphéides de Hubble ne jouent pas un rôle significatif dans la tension de Hubble actuelle. En conséquence, les possibilités les plus intéressantes restent sur la table et le mystère de la tension s’approfondit.»
Cet article met en évidence les données d’un papier qui a été accepté par le Journal d’astrophysique.
Auteur : Adam Riess est professeur émérite Bloomberg à l’Université Johns Hopkins, professeur Thomas J. Barber en études spatiales à la JHU Krieger School of Arts and Sciences, astronome distingué au Space Telescope Science Institute et récipiendaire du prix 2011. Prix Nobel de physique.
