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Une nouvelle mesure pourrait changer notre compréhension de l’univers

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RS Puppis, un type d’étoile variable connue sous le nom de variable Céphéide. Crédit : Hubble Legacy Archive, NASA, ESA

L’univers est en expansion, mais à quelle vitesse exactement ? La réponse semble dépendre de si vous estimez le taux d’expansion cosmique – appelé constante de Hubble, ou H0—basé sur l’écho du Big Bang (le fond diffus cosmologique, ou CMB) ou H0 Elle est directement dépendante des étoiles et des galaxies d’aujourd’hui. Ce problème, connu sous le nom de tension de Hubble, a déconcerté les astrophysiciens et les cosmologistes du monde entier.

Une étude du groupe Stellar Standard Candles and Distances dirigé par Richard Anderson à l’EPFL Institute of Physics ajoute une nouvelle pièce au puzzle. Leurs recherches ont été publiées dans Astronomie et astrophysique, a réalisé l’étalonnage le plus précis des étoiles Céphéides – un type d’étoile variable dont la luminosité fluctue sur une période définie – pour les mesures de distance à ce jour sur la base des données collectées par la mission Gaia de l’Agence spatiale européenne (ESA). Ce nouveau calibrage amplifie encore la tension de Hubble.

Constante de Hubble (H0) porte le nom de l’astrophysicien qui découvrit ce phénomène avec Georges Lemaitre à la fin des années 1920. Elle est mesurée en kilomètres par seconde par mégasec (km/s/Mpc), où 1 Mpc équivaut à environ 3,26 millions d’années-lumière.

La meilleure mesure directe de H.0 Il utilise une «échelle de distance cosmique», dont le premier échelon est fixé par l’étalonnage absolu de la luminosité du caviar, désormais recalibré par l’étude de l’EPFL. Les céphéides, en revanche, calibrent le prochain échelon de l’échelle, traquant les supernovae – les puissantes explosions d’étoiles à la fin de leur vie – l’expansion de l’espace lui-même.

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Cette échelle de distance, mesurée en supernovae, H.0pour l’équipe Dark Energy Equation of State (SH0ES) dirigée par Adam Riess, prix Nobel de physique 2011, pose H0 à 73,0 ± 1,0 km/sec/mpc.

Le premier rayonnement après le Big Bang

h0 Il peut également être déterminé en interprétant le rayonnement CMB – le rayonnement micro-ondes omniprésent laissé par le Big Bang il y a plus de 13 milliards d’années. Cependant, la méthode de mesure de «l’univers primitif» doit supposer la compréhension physique la plus détaillée de la façon dont l’univers a évolué, ce qui le rend dépendant du modèle. Le satellite Planck de l’Agence spatiale européenne (ESA) a fourni les données les plus complètes sur le CMB et, selon cette méthode, H0 67,4 ± 0,5 km/s/mpc.

La tension de Hubble indique cet écart de 5,6 km/sec/million de blocs, selon que l’on utilise la méthode CMB (univers ancien) ou la méthode de l’échelle de distance (univers tardif). L’implication, à condition que les mesures effectuées par les deux méthodes soient correctes, est qu’il y a quelque chose qui ne va pas dans la compréhension des lois physiques fondamentales qui régissent l’univers. Bien entendu, cet enjeu clé souligne l’importance de la fiabilité des méthodes des astrophysiciens.

Position dans le ciel, position dans l’espace de mouvement approprié et tableau des tailles de couleur pour différents groupes de céphéides. Les étoiles d’arrière-plan apparaissent en gris et l’éventuelle appartenance à un cluster est codée par couleur. Les couleurs claires indiquent une forte probabilité. Les céphéides sont représentées comme indiqué à l’aide de grands cercles remplis de rouge. Les céphéides détectées comme membres du cluster par HDBSCAN sont également marquées d’une hyperbole pour indiquer la probabilité d’appartenance. crédit: Astronomie et astrophysique (2023). DOI : 10.1051/0004-6361/202244775

La nouvelle étude de l’EPFL est très importante car elle renforce le premier échelon de l’échelle des distances en améliorant le calibrage des Céphéides en tant que suiveurs de distance. En fait, le nouvel étalonnage nous permet de mesurer des distances astronomiques à ± 0,9%, ce qui fournit un support solide pour la mesure tardive de l’entropie. De plus, les résultats obtenus à l’EPFL ont permis, en collaboration avec l’équipe SH0ES, d’améliorer H.0 mesure, ce qui améliore la précision et l’importance accrue de la tension de Hubble.

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« Notre étude confirme le taux d’expansion de 73 km/s/Mpc, mais plus important encore, elle fournit également les étalonnages les plus précis et les plus fiables des kyphides comme outils de mesure de distance à ce jour », a déclaré Anderson.

« Nous avons développé une méthode qui recherchait les Céphéides appartenant à des amas d’étoiles de plusieurs centaines d’étoiles en testant si les étoiles se déplacent ensemble à travers la Voie lactée. Grâce à cette astuce, nous pouvons profiter de la meilleure connaissance des mesures de parallaxe de Gaia tout en profitant de L’augmentation Cela nous a permis de pousser la résolution des vues de Gaïa à leurs limites et fournit la base la plus solide sur laquelle l’échelle des distances peut reposer. »

Repenser les concepts de base

Pourquoi une différence de quelques kilomètres/seconde/Mpc est-elle importante, compte tenu de la vaste échelle de l’univers ? « Cet écart est d’une grande importance », dit Anderson.

« Supposons que vous vouliez construire un tunnel en forant dans deux côtés opposés d’une montagne. Si vous avez bien compris le type de roche et si vos calculs sont corrects, les deux trous que vous forez se rencontreront au centre. Mais s’ils le font pas, alors vous avez fait une erreur – soit vos calculs sont faux, soit vous vous trompez sur le type de roche.

« C’est ce qui se passe avec la constante de Hubble. Plus nous obtenons de confirmation de l’exactitude de nos calculs, plus nous concluons que l’écart signifie que notre compréhension de l’univers est erronée, que l’univers n’est pas tout à fait ce que nous pensions qu’il était. . »

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La contradiction a bien d’autres effets. Il remet en question les fondamentaux, tels que la nature exacte de l’énergie noire, la continuité temporelle et la gravité. « Cela signifie que nous devons repenser les concepts fondamentaux qui constituent la base de notre compréhension générale de la physique », déclare Anderson.

L’étude de son groupe apporte également une contribution importante à d’autres domaines. « Parce que nos mesures sont si précises, elles nous donnent un aperçu de la géométrie de la Voie lactée », explique Mauricio Cruz Reyes, PhD. Étudiant dans le groupe de recherche d’Anderson et auteur principal de l’étude. « L’étalonnage haute résolution que nous avons développé nous permettra de mieux déterminer la taille et la forme de la Voie lactée en tant que galaxie à disque plat et sa distance par rapport aux autres galaxies, par exemple. Notre travail a également confirmé la fiabilité des données de Gaia en comparant avec celle d’autres télescopes.

Plus d’information:
Mauricio Cruz Reyes et al, étalonnage à 0,9 % du glossomètre galactique Cepheid basé sur les données Gaia DR3 pour les amas ouverts et les céphéides, Astronomie et astrophysique (2023). DOI : 10.1051/0004-6361/202244775

Informations sur la revue :
Astronomie et astrophysique


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