Crise cosmologique : discorde autour de la vitesse d’expansion de l’Univers

Deux méthodes utilisées pour calculer la vitesse d’expansion actuelle de l’Univers donnent deux résultats différents. Et chaque camp a confiance en ses calculs. Comment trancher?

C’est l’histoire de deux camps irréconciliables, entre lesquels le fossé ne cesse de s’élargir. Le motif de la discorde? La vitesse d’expansion de notre Univers qui, on le sait, enfle comme un ballon depuis sa naissance il y a 13,7 milliards d’années.

Pour estimer cette vitesse, que l’on appelle constante de Hubble ou H₀, les scientifiques utilisent deux approches : l’une se fonde sur l’Univers très ancien; l’autre consiste à mesurer la vitesse d’éloignement d’étoiles relativement proches de la Terre.

Mais voilà. Ces deux méthodes donnent des résultats différents, et même incompatibles! En fait, plus on affine la précision des mesures, plus l’écart se creuse. Selon les plus récentes études, les chances que cette différence soit due au hasard sont inférieures à 1 sur un million. Le désaccord est tel que la communauté des physiciens parle désormais de « crise cosmologique ». Alors que certains chercheurs développent des méthodes de mesure indépendantes de celles utilisées jusqu’ici, d’autres espèrent que de nouveaux télescopes, dont le télescope spatial James-Webb, aideront à résoudre la controverse.

« Il y a plusieurs possibilités. Soit il y a des erreurs d’un côté ou de l’autre, qui étaient négligeables lorsque nos mesures étaient moins précises et qui ne le sont plus aujourd’hui. Soit c’est notre modèle, celui qui décrit le cosmos, qui n’est pas assez sophistiqué et qui manque de justesse. Ou encore, c’est la mise en évidence qu’une des lois de la physique, comme la gravitation, n’est pas celle qu’on croyait », résume Jean-Philippe Uzan, physicien théoricien à l’Institut d’astrophysique de Paris.

Alors, comment trancher? Et comment les scientifiques s’y prennent-ils pour déterminer à quelle vitesse s’étire notre cosmos? La tâche est assez complexe, et les deux stratégies en « conflit » sont diamétralement opposées.

Première méthode : le rayonnement fossile

La première technique consiste à observer le fond diffus cosmologique, qui est le tout premier rayonnement émis par l’Univers environ 380 000 ans après le big bang. Encore perceptible aujourd’hui et sondé en détails par le satellite Planck, ce « rayonnement fossile » n’est pas tout à fait homogène. Ses infimes fluctuations de densité constituent une sorte de carte primordiale du cosmos : on peut y « voir » les germes ayant ensuite donné naissance aux galaxies.

L’idée derrière cette première approche est de se servir de cette carte primitive comme d’une référence pour modéliser l’évolution du cosmos jusqu’à sa configuration actuelle (plus on regarde « loin », plus on regarde dans le passé; on peut donc dérouler le film de l’expansion). Cette mesure repose sur le modèle cosmologique, qui décrit en quelque sorte les ingrédients qui constituent l’Univers et permettent de retracer son histoire. Si les paramètres du modèle sont corrects, alors la mesure du taux d’expansion actuel, la fameuse constante de Hubble, est vraiment fiable. Or les cosmologistes ont confiance en leur modèle.

La « chicane » a commencé à émerger avec les premiers résultats du satellite Planck, en 2013, et s’est accentuée depuis. En 2018, les membres de la collaboration Planck ont finalisé leurs analyses et évalué H₀ à 67,4 kilomètres par seconde et par mégaparsec (une mesure de distance utilisée en astronomie). En gros, cela signifie que dans chaque direction, sur une distance de 1 mégaparsec (3,26 millions d’années-lumière), l’Univers s’étire toutes les secondes d’environ 67 kilomètres.

En 2020, des chercheurs ont cette fois utilisé les données de l’Atacama Cosmology Telescope au Chili pour étudier de façon indépendante le fond diffus cosmologique. Leurs résultats concordent avec ceux de Planck (H₀=67,9 km/s/Mpc environ) et semblent montrer qu’il n’y a pas eu d’erreurs de mesure de ce côté.

Deuxième méthode : les chandelles cosmiques

Passons à l’autre approche, qui s’intéresse à l’Univers dit « local » et consiste à mesurer des distances entre différents objets célestes relativement proches de la Terre. Pour ce faire, les chercheurs se servent notamment d’étoiles « repères » ou étalons, qu’ils appellent des « chandelles standards » car ils peuvent connaître leur luminosité réelle. En comparant l’intensité lumineuse émise par ces étoiles à celle reçue sur Terre, les physiciens déterminent leur distance (et du même coup leur vitesse d’éloignement due à l’expansion).

Ces étoiles sont de plusieurs types : d’abord les céphéides, qui « pulsent » de manière régulière. La fréquence de leurs pulsations est proportionnelle à leur luminosité intrinsèque. Pour les distances plus grandes, les astronomes se fient aux supernovæ de type Ia. Ces explosions se produisent dans des systèmes d’étoiles doubles, lorsqu’une étoile très vieille atteint 1,44 fois la masse de notre Soleil en « avalant » son étoile compagne. Le scénario est toujours le même, si bien que la luminosité du cataclysme est constante d’une supernova à l’autre. En utilisant ces divers types de chandelles standards, la méthode permet de bâtir une échelle de distances et de déduire la vitesse de fuite de ces phares cosmiques.

Cette approche est défendue en particulier par l’équipe d’Adam Riess (Université Johns Hopkins, prix Nobel de physique 2011) qui fait partie de la collaboration SH0ES. En décembre 2021, leur dernière analyse a pris en compte 42 supernovæ captées avec le télescope Hubble, soit plus du double du nombre de chandelles utilisées précédemment. Ils ont obtenu pour H₀ une valeur de 74 km/s/Mpc, c’est-à-dire un taux d’expansion 9% plus élevé que celui calculé par l’autre méthode. (Une différence majeure compte tenu du degré de précision des mesures).

En 2017, une équipe de cosmologistes de l’École polytechnique de Lausanne et du Max Planck Institute (groupe H0LiCOW) avait utilisé une autre technique pour mesurer la constante de Hubble, basée sur les «lentilles gravitationnelles» et les quasars (détails ici). Bilan de leur estimation : 73,3 km/s/Mpc, une valeur compatible avec la mesure de SH0ES.

Ainsi, des données indépendantes penchent en faveur… des deux « camps ». Comme si la situation n’était pas assez tendue, Wendy Freedman, cosmologiste à l’Université de Chicago, est venue mettre de l’huile sur le feu en utilisant cette fois des géantes rouges pour calibrer l’échelle des distances cosmiques à la place des céphéides. Ces étoiles émettent un flash d’hélium lorsqu’elles arrivent en fin de vie, et l’intensité de ce flash est constant d’une géante rouge à l’autre. Ce pic de luminosité serait un étalon plus fiable, d’après certains chercheurs, que les céphéides, qui ne se comporteraient pas de la même façon selon leur âge. De plus, les céphéides ont tendance à se trouver dans des régions chargées du cosmos, pleines d’astres, de poussières, ce qui complique les observations. Publié en 2020 dans The Astrophysical Journal, l’article de Wendy Freedman aboutit à une valeur intermédiaire de 69,8 km/s/Mpc. Un véritable entre-deux! Qui laisse penser que le souci est attribuable à des erreurs de mesure. Adam Riess a toutefois critiqué la technique employée… Bref, le débat reste vif.

Où est l’erreur?

Pour trancher, les équipes vont donc continuer à affiner leurs calculs, grâce notamment à de nouveaux télescopes.

« Pour l’instant, il est trop tôt pour conclure, mais en science, il faut être le plus conservateur possible. La première chose que je remets donc en doute, c’est la qualité des observations. Y a-t-il des subtilités qu’on a oublié de prendre en compte? Des équipes réanalysent en ce moment les données du satellite Planck. On veut savoir si on est passé à côté d’un biais qui était négligeable, et qui ne l’est plus maintenant qu’on a diminué les barres d’erreur », commente Jean-Philippe Uzan.

Du côté des mesures de supernovæ, les risques d’erreurs sont peut-être plus probables, estime-t-il. « L’univers est très inhomogène. Le faisceau lumineux d’une supernova est très fin, et il va être dispersé lorsqu’il passe à côté d’une galaxie… Ce sont des effets à toute petite échelle qu’il est difficile de bien modéliser ».

À l’Université de Montréal, Laurence Perreault-Levasseur confirme que cette discordance « devient de plus en plus gênante ». « Il y a plusieurs personnes dans la communauté qui pensent que la mesure du fond diffus est très robuste. Pour les supernovæ, il y a des effets astrophysiques plus complexes à modéliser, mais il y a eu tellement d’efforts pour peaufiner les mesures! Quelle que soit la façon dont on retourne les données, on tombe sur la même valeur », indique-t-elle.

Les astrophysiciens attendent beaucoup du télescope James-Webb, notamment, 100 fois plus puissant que son prédécesseur Hubble, qui pourra repérer davantage d’étoiles et de galaxies. Sur Terre, l’Observatoire Simons, en construction dans le désert d’Atacama, permettra de scruter le fond diffus cosmologique avec encore plus de précision que le satellite Planck.

Revoir le modèle

Et si la discordance entre les deux mesures persiste? Faudra-t-il se résoudre à revoir le modèle cosmologique ?

« Ça ne veut pas dire qu’une mesure est fausse et l’autre juste, précisait en 2018 à Québec Science Vivien Bonvin, alors membre à Lausanne de la collaboration H0LiCOW qui approchait la question avec la méthode des quasars. Comme on ne mesure pas exactement la même chose, le fait qu’on ne soit pas d’accord veut peut-être dire qu’il y a quelque chose en plus, une nouvelle physique. »

Autrement dit, si les mesures ne collent pas, c’est peut-être qu’on les interprète mal, ou qu’on utilise un modèle erroné pour modéliser l’Univers. Certains planchent déjà sur les autres options possibles, à l’instar d’un duo de l’université du Danemark du sud, qui a proposé une nouvelle idée en 2021 dans la revue Physical Review D. Selon les auteurs, le mystère pourrait être résolu si on admet qu’il existe un nouveau type d’énergie noire dans l’Univers. L’énergie noire, qui constitue 70% du contenu énergétique de notre cosmos, est une force de nature inconnue qui pousse l’Univers à s’étirer de plus en plus vite. Si un nouveau type d’énergie noire régnait au temps de l’Univers primordial, cela expliquerait la contradiction entre les mesures issues du fond diffus cosmologique et celles basées sur l’Univers local. « Nous pensons que dans l’Univers primitif, l’énergie noire existait dans une phase différente. Vous pouvez comparer cela à l’eau, qui subit une transition vers la glace avec une densité plus faible que lorsqu’elle est liquide, a expliqué l’un des signataires, Martin Sloth, dans un communiqué. De la même manière, l’énergie noire dans notre modèle subit une transition vers une nouvelle phase avec une densité d’énergie plus faible, modifiant ainsi son effet sur l’expansion de l’Univers. » On leur laisse le bénéfice du doute en attendant les nouvelles données…