• L’expansion de l’Univers serait plus rapide que prévu...

    L’expansion de l’Univers serait plus rapide que prévu...

    En utilisant une nouvelle méthode pour mesurer la vitesse à laquelle l’Univers poursuit son expansion, un groupe d’astrophysiciens montre que cette vitesse serait plus importante que celle déduite de l’observation du rayonnement émis quelques instants après le Big Bang. Cette découverte pourrait les aider à percer le mystère de l’énergie sombre, mais elle les obligera aussi à revoir le modèle standard qui représentait jusqu’à présent la meilleure explication de l’évolution de l’Univers.

    Depuis que le prêtre belge Georges Lemaître et l’astronome américain Edwin Hubble ont découvert et observé à la fin des années 1920 que les galaxies s’éloignent les unes des autres et que l’Univers est donc en expansion, les scientifiques se sont évertués à mesurer la vitesse de cette expansion. Plus de 600 estimations ont été faites à ce jour à l’aide de diverses méthodes et en observant différents objets célestes. L’équipe internationale du HOLiCOW a pour sa part fondé sa mesure sur les délais temporels entre l’apparition des différentes images d’un même quasar qui ont été captées par treize télescopes différents.

    Les quasars sont les objets les plus brillants de l’univers. Il s’agit en fait du rayonnement émis par la matière au moment où elle s’effondre dans un trou noir super massif. Sous l’effet de la friction, la matière se met alors à rayonner extrêmement fort, c’est pourquoi nous voyons une énorme émission de lumière. Comme il y a un trou noir au centre de chaque galaxie, on trouve donc un quasar au centre de toutes les galaxies, explique Frédéric Courbin, astrophysicien à L’École polytechnique fédérale de Lausanne, en Suisse, et membre d’HOLiCOW.

    Au cours de son voyage vers nous, la lumière de chacun des cinq quasars que les chercheurs ont étudiés a rencontré un obstacle, une galaxie en l’occurrence, dont le puissant champ gravitationnel a dévié la trajectoire du faisceau lumineux. Grâce à ce phénomène de « lentille gravitationnelle », « si le quasar, la galaxie et l’observateur, c’est-à-dire nous, avaient été parfaitement alignés, nous aurions vu un anneau de lumière autour de la galaxie, appelé anneau d’Einstein. Mais comme l’alignement n’était pas parfait, on observera entre deux, trois, quatre images du quasar », précise Vivien Bonvin, astrophysicien à l’École polytechnique fédérale de Lausanne et membre d’HOLiCOW. En d’autres termes, l’effet de lentille gravitationnelle exercé par la galaxie fragmente le faisceau lumineux issu du quasar en plusieurs rayons, qui empruntent ensuite des trajectoires différentes. Parfois, cette trajectoire est très directe, d’autres fois, elle est plus courbée, et donc plus longue. Étant donné que le chemin que doit parcourir chaque rayon est plus ou moins long, les images que nous recevons sur Terre de chacun d’eux ne nous arrivent pas en même temps, mais avec un petit décalage temporel. Le plus gros décalage temporel que les chercheurs d’HOLiCOW ont observé entre deux images d’un même quasar s’élevait à 15 jours, tandis que le plus petit atteignait 7 jours. « C’est très peu compte tenu du fait qu’il a fallu plusieurs dizaines de millions d’années à la lumière du quasar pour nous atteindre », fait remarquer M. Bonvin.

    Délais temporels

    Ce sont justement ces délais temporels entre l’apparition des différentes images d’un même quasar qui ont permis aux chercheurs d’HOLiCOW de déterminer avec une grande précision le taux d’expansion de l’univers. Ces délais temporels s’expliquent d’une part par la distance différente que chacun des rayons lumineux a franchie avant de nous atteindre, mais aussi par le fait que ces rayons lumineux ont « traversé l’Univers qui est en expansion, c’est-à-dire un espace qui s’étend, qui grandit lui aussi », souligne Vivien Bonvin. De ce fait, « plus la distance franchie par le rayon lumineux est longue, plus l’expansion de l’univers aura eu le temps d’agir sur ce rayon et, par conséquent, plus cette distance s’étirera, allongeant du coup le temps qu’il mettra à atteindre la Terre, et le délai temporel par rapport aux autres rayons ayant emprunté des chemins plus courts », explique l’astronome Robert Lamontagne, professeur au Département de physique de l’Université de Montréal.

    Pour trouver la vitesse d’expansion de l’Univers à partir des délais temporels entre les images, il fallait connaître les distances parcourues par chacun des rayons. Les chercheurs ont d’abord mesuré les distances auxquelles se situaient le quasar et la galaxie servant de lentille gravitationnelle. Ils ont ensuite déterminé la masse de la galaxie-lentille ainsi que sa distribution dans l’espace afin de savoir comment cette galaxie déviait les rayons lumineux. Une fois ces informations en main, il était désormais possible de calculer la vitesse de l’expansion de l’univers.

    L’équipe d’HOLiCOW a ainsi obtenu un taux d’expansion de 71.9 + ou - 2.7 kilomètres par seconde par mégaparsec (1 mégaparsec valant environ 3 millions d’années-lumière), ce qui veut dire que l’univers s’étend à une vitesse de 72 km/s, mais chaque fois qu’on s’éloigne de 3 millions d’années-lumière, sa vitesse d’expansion est deux fois plus grande.

    Divergences

    Cette valeur s’avère toutefois 7 % plus grande que celle obtenue en 2015 par le satellite Planck, qui observe le fond diffus cosmologique, aussi appelé rayonnement micro-onde de fond cosmologique, que l’on décrit souvent comme l’écho du Big Bang puisqu’il s’agit de la première lumière apparue quelque 380 000 ans après le Big Bang, soit il y a environ 13,3 milliards d’années-lumière. À l’aide de modèles mathématiques, ce signal de l’univers lointain a permis de déduire un taux d’expansion de l’univers de 66,93 km/s + ou - 0,62. « Jusqu’à maintenant, la valeur proposée par le satellite Planck était la valeur communément admise comme étant la bonne, parce qu’elle faisait partie d’un modèle qui jusque-là fonctionne très bien, qui a permis d’expliquer beaucoup de choses », précise M. Bonvin.

    Par contre, la valeur obtenue par la collaboration HOLiCOW s’apparente à celle à laquelle est arrivée l’équipe de l’astronome américain et lauréat du prix Nobel Adam Riess, en regardant des supernovae, c’est-à-dire des étoiles qui explosent en émettant toujours la même quantité de lumière. « Plus la supernova est loin de nous, moins on la verra lumineuse. Ainsi, en mesurant la luminosité que l’on perçoit de ces supernovae, ainsi que son décalage vers le rouge par rapport à la lumière émise à la source, ces chercheurs obtiennent la vitesse d’éloignement de ces supernovae [en raison de l’effet Doppler semblable à celui qu’on observe lorsque la sirène d’une ambulance s’éloigne de nous]. Ils peuvent ainsi déduire la vitesse à laquelle l’univers grandit. Cette technique, qui avait été proposée à l’origine par George Lemaître, puis par Edwin Hubble en 1929, a été affinée au cours du temps. Actuellement, cette technique donne une mesure de 73 + ou - 1,7 km/s par mégaparsec pour des objets qui, à l’échelle de l’univers, sont assez proches de nous, soit à quelques millions d’années-lumière», explique Vivien Bonvin.

    Jusqu’à ce que l’équipe d’HOLiCOW publie ses nouveaux résultats dans l’édition de jeudi des Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, la communauté scientifique « supposait que l’une ou l’autre de ces deux dernières estimations était sujette à des erreurs, à des problèmes instrumentaux ou à de la malchance. D’autres affirmaient qu’il s’agissait d’une contradiction. Or, nos résultats permettent de lever cette interrogation. Ce désaccord entre les mesures dans l’univers lointain et celles obtenues dans l’univers proche ont peut-être un sens. Ce ne serait plus un problème technique ou d’instrument. C’est vraiment la physique que l’on connaît qui est peut-être un peu différente de ce qu’on suppose », avance M. Bonvin.

    « Il y a dix ans, les barres d’erreur sur les mesures étaient tellement grandes que toutes les méthodes étaient en accord. Maintenant qu’on apporte une précision de plus en plus grande, on commence à voir des différences entre les méthodes, et on se pose la question de savoir si ce sont les barres d’erreur qui sont fausses ou si réellement il y a un processus physique derrière qui, pour l’instant, n’est pas expliqué, ajoute Frédéric Courbin. Cette valeur qu’on a trouvée voudrait dire que l’univers accélère plus vite qu’on pense, et donc que l’énergie sombre aurait peut-être une importance plus grande que prévu. »

    Rappelons que, pour expliquer l’accélération de l’expansion de l’univers, les scientifiques ont invoqué l’existence d’une forme d’énergie répulsive, appelée matière sombre ou matière noire, qui contrebalance la gravité émanant de la matière normale (ou visible) et de la matière sombre.

    « On avait supposé que l’énergie sombre était partout la même, que son comportement était constant dans le temps et dans l’espace. Or, il faut peut-être considérer qu’elle est plus compliquée que cela », affirme M. Bonvin.

    « Nous sommes arrivés au point où on se dit qu’il faudra commencer à changer le modèle standard [qui est le plus représentatif de l’évolution de l’Univers jusqu’à maintenant], car il commence à ne plus prédire les observations. Mais loin de moi l’idée de dire que tout est faux », ajoute M. Courbin.

    Chose certaine, ces derniers résultats devraient aider à mieux cerner la nature de cette énergie sombre, qui demeure un grand mystère.

    Le Devoir

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