Le JWST et Hubble sont d’accord sur l’expansion de l’Univers… mais le mystère s’épaissit

Le James Webb Space Telescope a marché dans les pas d’Hubble pour tenter de résoudre l’une des énigmes les plus importantes de la cosmologie moderne en mesurant la vitesse d’expansion de l’Univers. Il a obtenu exactement les mêmes résultats que son aîné… et c’est à la fois problématique et très excitant.

Une conclusion plutôt contre-intuitive. Car en règle générale, le fait de trouver des chiffres cohérents avec deux instruments de pointe différents est une très bonne nouvelle ; pour les scientifiques, cela suggère que la méthodologie des travaux est solide, et que l’on peut faire confiance au résultat. Mais dans ce cas précis, cette double confirmation ne fait que renforcer un mystère qui torture les astrophysiciens depuis des décennies.

La Tension d’Hubble, un paradoxe tenace

Cela fait déjà près d’un siècle que l’on sait que notre univers s’étend au cours du temps. Les experts cherchent donc à calculer la vitesse de cette expansion — et c’est là que les problèmes commencent. En effet, les différentes méthodes de mesure ne parviennent pas à se mettre d’accord sur cette valeur.

D’un côté, certaines observations se basent sur les positions relatives des Céphéides, des étoiles supergéantes extrêmement lumineuses qui servent de points de repère aux astronomes pour calculer la distance entre deux régions du cosmos. En recommençant à des intervalles de temps réguliers, on peut donc déterminer le rythme d’expansion de l’univers ; en 1929, Hubble et ses collègues ont ainsi conclu que notre monde gonfle à une vitesse d’environ 73 kilomètres par seconde par mégaparsec — un nombre appelé constante d’Hubble-Lemaître.

Au fil des décennies, les astrophysiciens ont imaginé d’autres méthodes pour calculer cette fameuse constante. On peut citer la mission Planck de l’ESA, qui se base sur l’observation des vestiges électromagnétiques du Big Bang. En théorie, les deux approches auraient dû aboutir au même résultat ; le souci, c’est que la seconde méthode a produit des chiffres différents. Dans ce cas, on obtient une constante d’environ 67 km/s/mpc. On se retrouve avec une incohérence majeure que l’on appelle aujourd’hui la Tension d’Hubble.

Au début, les astronomes ont attribué cette tension à des erreurs de mesure. Ils ont donc multiplié les observations pour tenter d’affiner leurs résultats, mais sans succès. Après chaque répétition, ils sont systématiquement retombés sur cet écart. Une autre hypothèse a alors commencé à émerger : le problème pourrait-il venir du télescope Hubble, un engin certes très puissant mais vieillissant ? Serait-il trop imprécis pour estimer correctement la distance des Céphéides ?

Hubble ne s’était pas trompé

Pour faire la part des choses, c’est Adam Riess a pris le taureau par les cornes. Cet éminent physicien dispose d’une expertise particulièrement importante dans ce domaine ; il a hérité d’un Prix Nobel pour ses travaux sur ce qu’on appelle aujourd’hui l’énergie noire, un phénomène mystérieux qui se manifeste par une accélération progressive de l’expansion de l’Univers.

Avec son équipe, il a s’est appuyé sur la nouvelle coqueluche de l’astronomie : le James Webb Space Telescope, un appareil beaucoup plus récent à la précision époustouflante. Grâce à ce bijou d’ingénierie, ils ont passé en revue toutes les Céphéides précédemment observées par Hubble pour calculer la fameuse constante.

Céphéide Ngc 5468 Webb Hubble
Un exemple d’une Céphéide observée par Hubble (à g.), puis par le JWST (à d.). © NASA/ESA/CSA/STScI/Adam G. Riess

L’objectif était de vérifier si les deux engins obtenaient les mêmes résultats — et c’est précisément ce que Riess et ses collègues ont constaté. Les mesures d’Hubble et du JWST étaient parfaitement cohérentes même sur de très longues distances, conformément à ce qu’une première série d’observations avait déjà suggéré l’année dernière.

La conclusion qui s’impose, c’est que le vieux télescope ne s’était pas trompé. « Nous avons désormais parcouru tout ce qu’Hubble a observé, et nous pouvons affirmer avec un très haut degré de certitude que la Tension d’Hubble ne provient pas d’une erreur de mesure », explique Riess. En d’autres termes, c’est un retour à la case départ. On ne connaît toujours pas l’origine de la Tension d’Hubble, et il est donc impossible de déterminer la valeur réelle de la constante éponyme.

La chasse aux pièces manquantes repart de plus belle

La bonne nouvelle, c’est que cela montre qu’on peut encore faire confiance au vénérable télescope. 24 ans après son lancement, Hubble est toujours aussi fiable. Mais on se retrouve également dans une situation très inconfortable, car cette fameuse constante est exceptionnellement importante. C’est même l’une des clés de voûte de la cosmologie moderne ; quasiment toutes les études scientifiques dans ce domaine se basent dessus, directement ou indirectement. Ces incertitudes impliquent donc que les modèles utilisés pour décrire la dynamique de notre univers sont relativement approximatifs, même s’ils fonctionnent généralement très bien en pratique.

Par conséquent, il ne reste plus qu’une seule façon d’expliquer l’origine de la Tension : puisqu’il ne s’agit pas d’une erreur humaine ou de mesure, on peut en déduire qu’il manque encore une ou plusieurs pièces importantes à ce grand puzzle cosmologique. « Ce qui reste, c’est la possibilité bien réelle que nous ayons mal compris l’Univers », admet Riess.

le puzzle de l'univers par Midjourney AI
© MidjourneyAI – Journal du Geek

Une tirade qui pourrait sonner comme un aveu d’échec — mais c’est en fait tout le contraire. C’est une perspective très excitante pour les astronomes, car cela signifie qu’il ne reste plus qu’à trouver les pièces manquantes du puzzle pour résoudre l’un des mystères les plus tenaces de l’histoire des sciences spatiales. Mettre fin à la Tension d’Hubble permettrait de consolider les modèles cosmologiques, et par extension, d’ouvrir la voie à de grands progrès en physique fondamentale.

Mais aussi palpitante soit-elle, cette quête promet d’être très éprouvante. En effet, les candidats ne se bousculent pas au portillon. Aujourd’hui, la piste la plus prometteuse pour expliquer ces incohérences repose sur les ondes gravitationnelles, ces fluctuations de l’espace-temps théorisées par Einstein dans sa célèbre théorie de la relativité générale ; mais personne n’a encore réussi à confirmer cette hypothèse rigoureusement. Ce n’est peut-être qu’une question de temps… mais la solution pourrait aussi résider dans un phénomène radicalement différent, et peut-être même totalement inconnu à ce jour. Autant dire qu’il va falloir s’armer de patience avant de connaître le fin mot de l’histoire ; mais le moins que l’on puisse dire, c’est que l’aventure s’annonce fascinante.

Le texte de l’étude est disponible ici.

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