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Méthodes pour déterminer la constante de Hubble : Tension

Discordances entre les mesures locales et celles de l'Univers primordial, soulevant de nouvelles questions cosmologiques

Pourquoi H0 important

La constante de Hubble (H0) décrit le taux d'expansion actuel de l'Univers, généralement exprimé en kilomètres par seconde par mégaparsec (km/s/Mpc). Une estimation précise de H0 en cosmologie est très importante car :

  1. Indique l'âge de l'Univers si l'on extrapole l'expansion vers le passé.
  2. Calibre l'échelle des distances pour d'autres mesures cosmiques.
  3. Aide à résoudre les ambiguïtés des paramètres cosmologiques (par exemple, densité de matière, paramètres de l'énergie noire).

Traditionnellement, les astronomes mesurent H0 de deux manières différentes :

  • Méthode locale (échelle des distances) : Partant de la parallaxe vers les Céphéides ou TRGB (sommet des géantes rouges), puis utilisant les supernovas de type I. Cela donne un taux d'expansion direct dans l'Univers relativement proche.
  • Méthode de l'Univers primordial : H0 est dérivé des données du fond diffus cosmologique (CMB) selon un modèle cosmologique choisi (ΛCDM) et les oscillations acoustiques baryoniques (BAO) ou d'autres contraintes.

Ces dernières années, ces deux méthodes donnent des valeurs différentes significatives pour H0 : une valeur plus élevée (~73–75 km/s/Mpc) issue de la méthode locale et une plus basse (~67–68 km/s/Mpc) issue des calculs basés sur le CMB. Cette divergence, appelée « tension de Hubble », suggère soit une nouvelle physique au-delà du ΛCDM standard, soit des biais systémiques non résolus dans une ou les deux méthodologies.

2. Échelle Locale des Distances : Principe des Étapes

2.1 Parallaxe et Calibrage

La base de l'échelle locale des distances est la parallaxe (trigonométrique) pour les objets proches (mission Gaia, parallaxes HST pour les Céphéides, etc.). La parallaxe établit l'échelle absolue pour des objets standards tels que les étoiles variables Céphéides, qui présentent une relation bien définie entre période et luminosité.

2.2 Céphéides et TRGB

  • Étoiles variables Céphéides : L'étape principale pour calibrer les indicateurs lointains, comme les supernovas de type I. Freedman et Madore, Riess et al. (équipe SHoES) et d'autres ont amélioré le calibrage local des Céphéides.
  • Sommet des géantes rouges (TRGB) : Une autre méthode exploitant la luminosité des étoiles géantes rouges au moment de l'allumage de l'hélium (dans des populations pauvres en métaux). L'équipe Carnegie–Chicago (Freedman et al.) a atteint une précision d'environ 1 % dans certaines galaxies locales, offrant une alternative aux Céphéides.

2.3 Supernovas de type I

Lorsque les Céphéides (ou TRGB) dans les galaxies servent de point d'ancrage pour calibrer la luminosité des supernovas, celles-ci peuvent être observées jusqu'à des centaines de Mpc. En comparant la luminosité apparente mesurée de la supernova à la luminosité absolue dérivée, on obtient la distance. En combinant le décalage vers le rouge et la distance, on déduit localement H0.

2.4 Mesures Locales

Riess et al. (SHoES) déterminent souvent H0 ≈ 73–74 km/s/Mpc (erreur d'environ 1,0–1,5%). Freedman et al. (TRGB) trouvent ~69–71 km/s/Mpc – un peu moins que Riess, mais toujours au-dessus des ~67 de Planck. Ainsi, bien que les mesures locales varient quelque peu, elles se regroupent généralement dans la plage 70–74 km/s/Mpc – plus que les ~67 de Planck.

3. Méthode de l'univers primordial (CMB)

3.1 Modèle ΛCDM et CMB

Le fond diffus cosmologique (CMB), mesuré par WMAP ou Planck, selon le modèle cosmologique standard ΛCDM, permet de déterminer l'échelle des pics acoustiques et d'autres paramètres. L'ajustement du spectre de puissance du CMB fournit les valeurs de Ωb h², Ωc h² et d'autres. En les combinant avec l'hypothèse de platitude et les données BAO ou autres, on déduit H0.

3.2 Mesure de Planck

Les données finales de la collaboration Planck indiquent généralement H0 = 67,4 ± 0,5 km/s/Mpc (selon les instruments), soit environ 5–6σ de moins que les mesures locales SHoES. Cette différence, connue sous le nom de tension de Hubble, est à un niveau d'environ 5σ, ce qui suggère qu'il est peu probable qu'il s'agisse d'une fluctuation aléatoire.

3.3 Pourquoi ce désaccord est important

Si le modèle standard ΛCDM est correct et que les données de Planck sont fiables, alors une systématique inconnue devrait se cacher dans la méthode locale des échelles. Sinon, si les distances locales sont correctes, il se pourrait que le modèle de l'univers primordial soit incomplet – une nouvelle physique pourrait affecter l'expansion cosmique ou il pourrait exister des particules relativistes supplémentaires ou une énergie noire précoce modifiant la valeur déduite de H0.

4. Causes possibles du désaccord

4.1 Erreurs systématiques dans la méthode des échelles ?

Le doute subsiste quant à savoir si une erreur non corrigée subsiste dans la calibration des Céphéides ou la photométrie des supernovas – par exemple, un effet de métallicité sur les Céphéides, une correction locale du flux ou un biais de sélection. Cependant, un fort consensus entre plusieurs groupes réduit la probabilité d'une erreur importante. Les méthodes TRGB donnent également une valeur de H0 légèrement plus élevée, même si un peu inférieure à celle des Céphéides, mais toujours supérieure à celle de Planck.

4.2 Systématiques non résolues dans le CMB ou ΛCDM ?

Une autre possibilité est qu'il manque un maillon important dans l'interprétation du CMB de Planck selon ΛCDM, par exemple :

  • Propriétés étendues des neutrinos ou particules relativistes supplémentaires (Neff).
  • Énergie noire précoce proche de la recombinaison.
  • Non-platitude ou énergie noire variable dans le temps.

Planck ne montre pas de signes clairs à ce sujet, mais certains modèles étendus en donnent de faibles indices. Jusqu'à présent, aucune solution n'élimine complètement la tension sans anomalies supplémentaires ou complexité accrue.

4.3 Existe-t-il deux valeurs différentes de la constante de Hubble ?

Certaines propositions suggèrent que dans un univers à faible densité rouge, l'expansion pourrait différer de la moyenne globale si de grandes structures locales ou des inhomogénéités (appelées « bulle de Hubble ») sont présentes. Cependant, les mesures provenant de différentes directions, à d'autres échelles cosmiques, ainsi que le principe général d'homogénéité, indiquent qu'une vacuité locale significative ou un environnement local ne suffiraient guère à expliquer cette tension.

5. Efforts pour Résoudre la Tension

5.1 Méthodes Indépendantes

Les chercheurs testent des étalonnages locaux alternatifs :

  • Masers dans les galaxies mégamasers (par ex., NGC 4258) comme ancre de distance des supernovas.
  • Délais temporels de lentillage gravitationnel fort (H0LiCOW, TDCOSMO).
  • Fluctuations de brillance de surface dans les galaxies elliptiques.

Jusqu'à présent, ces méthodes montrent généralement H0 valeurs dans la plage « bas années 60 – hauts années 70 », pas toujours identiques, mais généralement supérieures à 67. Cela signifie qu'il n'existe pas une méthode indépendante unique qui dissipe complètement la tension.

5.2 Plus de Données de DES, DESI, Euclid

Les mesures BAO à différents décalages vers le rouge permettent de reconstruire H(z) et de vérifier s'il existe des écarts par rapport au ΛCDM entre z = 1100 (époque du CMB) et z = 0. Si les observations montrent un décalage vers le rouge où localement un H0 plus élevé est obtenu, tout en concordant avec Planck à grand z, cela pourrait indiquer une nouvelle physique (par exemple, l'énergie sombre précoce). DESI vise une précision d'environ 1 % sur la mesure des distances à plusieurs décalages vers le rouge, ce qui pourrait aider à mieux comprendre l'évolution cosmique.

5.3 Échelle de Distance de Nouvelle Génération

Les équipes locales continuent d'améliorer l'étalonnage des parallaxes en utilisant les données Gaia, affinent le point zéro des Céphéides et réexaminent les erreurs systématiques en photométrie des supernovas. Si la tension persiste avec des erreurs plus faibles, la possibilité d'une nouvelle physique au-delà du modèle ΛCDM augmente. Si la tension disparaît, cela confirmera la robustesse du ΛCDM.

6. Valeur pour la Cosmologie

6.1 Si Planck a raison (Petit H0)

Petit H0 ≈ 67 km/s/Mpc est compatible avec le ΛCDM standard de z = 1100 à aujourd'hui. Alors les méthodes locales d'échelle seraient systématiquement erronées, ou nous vivons dans un emplacement atypique. Ce scénario indique un âge de l'Univers d'environ 13,8 milliards d'années, et les prévisions de la structure à grande échelle concordent avec les données d'amas de galaxies, BAO et lentillage.

6.2 Si l'Échelle Locale est Correcte (Grand H0)

Si H0 ≈ 73 confirmé, alors l'interprétation du modèle Planck \(\Lambda\)CDM est incomplète. Il pourrait être nécessaire de :

  • Énergie sombre précoce supplémentaire, accélérant temporairement l'expansion jusqu'à la recombinaison et modifiant ainsi les angles des pics, ce qui réduit la valeur de H0 dérivée par Planck.
  • Plus de degrés de liberté relativistes ou une nouvelle physique des neutrinos.
  • Éloignement de l’hypothèse que l’Univers est plat et strictement décrit par \(\Lambda\)CDM.

Une telle nouvelle physique pourrait résoudre la tension, bien qu’elle nécessite un modèle plus complexe. Cela peut être testé avec d’autres données (lentillage CMB, indicateurs de croissance des structures, nucléosynthèse).

6.3 Perspectives futures

La tension incite à de nouvelles vérifications croisées. Les études du fond diffus cosmologique CMB-S4 ou de générations supérieures pourraient vérifier si la croissance des structures correspond à une valeur élevée ou basse de H0. Si la tension reste à ~5σ, ce sera un fort indice que le modèle standard doit être étendu. Des percées théoriques ou des erreurs nouvellement découvertes pourraient finalement résoudre la question de manière décisive.

7. Conclusion

La mesure de la constante de Hubble (H0) est le cœur de la cosmologie, reliant les observations locales de l’expansion aux modèles de l’Univers primordial. Les méthodes actuelles fournissent deux valeurs différentes :

  1. Échelle locale des distances (utilisant les Céphéides, TRGB, supernovas) indique généralement H0 ≈ 73 km/s/Mpc.
  2. ΛCDM basé sur le CMB, utilisant les données Planck, donne H0 ≈ 67 km/s/Mpc.

Cette « tension de Hubble », d’environ 5σ de signification, indique des erreurs systématiques inconnues dans une méthode ou une nouvelle physique au-delà du ΛCDM standard. Les améliorations continues des parallaxes (Gaia), du point zéro des supernovas, des délais de lentillage temporel et des BAO à haut décalage vers le rouge testent toutes les hypothèses. Si la tension persiste, elle pourrait révéler des solutions exotiques (énergie sombre précoce, neutrinos supplémentaires, etc.). Si la tension diminue, cela confirmera la robustesse du ΛCDM.

Chaque scénario affecte nettement notre histoire cosmique. La tension stimule de nouvelles campagnes d'observation (DESI, Euclid, Roman, CMB-S4) et des modèles théoriques avancés, soulignant la dynamique de la cosmologie moderne – où des données précises et des discordances persistantes nous poussent à tenter de réunir l’Univers primordial et l’Univers actuel en une image complète.

Littérature et lectures complémentaires

  1. Riess, A. G., et al. (2016). « Une détermination à 2,4 % de la valeur locale de la constante de Hubble. » The Astrophysical Journal, 826, 56.
  2. Planck Collaboration (2018). « Planck 2018 results. VI. Cosmological parameters. » Astronomy & Astrophysics, 641, A6.
  3. Freedman, W. L., et al. (2019). « Le programme Carnegie-Chicago Hubble. VIII. Une détermination indépendante de la constante de Hubble basée sur le sommet de la branche des géantes rouges. » The Astrophysical Journal, 882, 34.
  4. Verde, L., Treu, T., & Riess, A. G. (2019). « Tensions entre l'Univers primordial et l'Univers tardif. » Nature Astronomy, 3, 891–895.
  5. Knox, L., & Millea, M. (2020). « Guide des chasseurs de la constante de Hubble. » Physics Today, 73, 38.
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