L'univers semble se développer plus rapidement qu'il ne le devrait. Et personne ne sait pourquoi - et de nouvelles mesures de distance ultra-précises n'ont fait qu'exacerber ce problème.
Cliquable
le 3 décembre, l'humanité a soudainement eu l'information que nous voulions recevoir depuis des temps immémoriaux: la distance exacte aux étoiles.
"Entrez le nom d'une étoile ou son emplacement, et en une seconde vous obtenez une réponse", a déclaré Barry Mador , cosmologiste à l'Université de Chicago et aux observatoires Carnegie, lors d'un appel vidéo. "En général ..." - il se tut.
«Nous sommes inondés de ces données», a déclaré Wendy Friedman , cosmologiste dans les mêmes universités et épouse et collègue de Mador.
«Vous ne pouvez pas exagérer mon enthousiasme à ce sujet», a déclaré Adam Riess de l'Université Johns Hopkins, qui a remporté le prix Nobel 2011 pour sa contribution à la découverte de l'énergie noire , par téléphone . "Permettez-moi de passer à la vidéo pour vous montrer ce qui m'a tant fasciné?" Nous sommes passés à Zoom pour qu'il puisse partager son écran, où il y a de beaux graphiques décrivant de nouvelles données sur l'emplacement des étoiles.
Ces données ont été collectées par le vaisseau spatial GaiaAgence spatiale européenne. Depuis six ans, il regarde les étoiles depuis un perchoir d'un million et demi de kilomètres. Le télescope a mesuré les parallaxes de 1,3 milliard d'étoiles - de minuscules changements dans la position apparente des étoiles qui indiquent la distance qui les sépare. «La parallaxe de Gaia est la mesure de distance la plus précise jamais réalisée», a déclaré Joe Bovey , astrophysicien à l'Université de Toronto.
Et ce qui est le plus agréable pour les cosmologistes, le nouveau catalogue Gaia comprend des étoiles spéciales, dont les distances servent de référence pour toutes les autres distances plus éloignées. Par conséquent, les nouvelles données ont instantanément exacerbé le plus gros problème de la cosmologie moderne: l'expansion étonnamment rapide de l'univers, la «tension de Hubble» [tension de Hubble].
La tension est la suivante: sur la base des composants connus de l'Univers et des équations qui le régissent, il s'avère qu'il devrait se dilater à une vitesse de 67 km par seconde par mégaparsec - c'est-à-dire avec chaque mégaparsec supplémentaire entre nous et la galaxie, elle devrait s'envoler de nous 67 km plus vite ... Cependant, les mesures réelles dépassent systématiquement cette valeur. Les galaxies volent trop vite. Cet écart suggère une idée troublante selon laquelle il doit y avoir une sorte de facteur d'accélération inconnu de nous dans l'espace.
«Ce serait incroyablement formidable de découvrir une nouvelle physique», a déclaré Friedman. «J'espère secrètement qu'une découverte pourra être faite sur cette base. Mais nous devons nous assurer que nous avons raison. Il y a beaucoup de travail à faire avant de rendre cela explicite. »
Ce travail comprend la réduction des sources d'erreur possibles dans les mesures du taux d'expansion. La plus grande de ces sources était la distance aux étoiles les plus proches de nous - et cette distance a été affinée par de nouvelles données de parallaxe.
Dans un article publié dans la revue The Astrophysical Journal paperL'équipe de Riesz a utilisé les nouvelles données pour affiner le taux d'expansion. Ils ont obtenu 73,2 km par seconde par mégaparsec, ce qui est conforme à leurs estimations précédentes, ce n'est que maintenant que l'erreur a diminué à 1,8%. Cela ne fait que renforcer l'écart avec la vitesse prévue, 67.
Friedman et Mador prévoient bientôt de publier leur propre mesure nouvelle et améliorée de cette vitesse . Ils estiment également que les nouvelles données ne feront que renforcer, mais pas changer, leurs dimensions, qui, bien qu'elles soient plus petites que celles de Riesz et d'autres groupes, dépassaient encore les prévisions.
Depuis le lancement de Gaia en décembre 2013, il a publié deux ensembles de données massifs qui ont révolutionné la compréhension des parties du cosmos les plus proches de nous. Cependant, les précédentes mesures de parallaxe de Gaia ont déçu tout le monde. «Lorsque nous avons examiné la première publication de données», en 2016, «nous avions envie de pleurer», a déclaré Friedman.
Un problème inattendu
Si les parallaxes étaient plus faciles à mesurer, la révolution copernicienne aurait pu se produire plus tôt.
Au 16ème siècle, Copernic a suggéré que la Terre tourne autour du Soleil [de telles hypothèses ont été exprimées bien avant lui, mais en Europe le système géocentrique était considéré comme généralement accepté ]. Cependant, même alors, les astronomes connaissaient la parallaxe. Si Copernic avait raison et que la Terre bouge, alors ils s'attendaient à voir les positions des étoiles dans le ciel se déplacer - tout comme le lampadaire que vous voyez se déplace par rapport aux collines lointaines derrière lui lorsque vous traversez la rue. L'astronome Tycho Brahe n'a pas détecté de tels changements et a conclu que la Terre ne bougeait pas.
Et pourtant, il bouge, et les étoiles bougent, bien que très peu, puisqu'elles sont situées très loin de nous.
Ce n'est qu'en 1838 que l'astronome allemand Friedrich Wilhelm Bessel a pu détecter la parallaxe stellaire. En mesurant le décalage angulaire du système d'étoiles 61 Cygnus par rapport aux étoiles environnantes, Bessel a conclu qu'il est situé à une distance de 10,3 années-lumière de nous [dans l'expression figurative de ses contemporains, «pour la première fois beaucoup, jeté dans les profondeurs de l'univers, atteint le fond ”/ env ... par.]. Et ses mesures ne différaient de la vérité que de 10% - les nouvelles mesures de Gaïa indiquent que les deux étoiles de ce système sont situées à une distance de 11,4030 et 11,4026 années-lumière de nous, à quelques millièmes.
System 61 Swan est extrêmement proche de nous. Les étoiles les plus typiques de la Voie lactée ne se déplacent que par centièmes d'arc de seconde - cent fois moins qu'un pixel dans une caméra télescope moderne. Pour déterminer leur mouvement, un équipement ultra-stable spécialisé est nécessaire. Gaia a été spécialement conçu à cet effet, mais lorsque le télescope a été allumé, nous avons été confrontés à un problème imprévu.
Le télescope fonctionne en regardant dans deux directions à la fois, et suit la différence angulaire entre les étoiles dans deux champs de vision, a expliqué Lennart Lindergen , l'un des auteurs du projet Gaia en 1993, et le chef de l'équipe d' analysenouvelles données de parallaxe. Une mesure précise de la parallaxe nécessite que l'angle entre les deux champs de vision reste constant. Mais au début de la mission, les scientifiques ont découvert que ce n'était pas le cas. Le télescope s'est légèrement fléchi lors de sa rotation par rapport au Soleil, ce qui a fait glisser des vibrations dans son mouvement qui imitait la parallaxe. Pire encore, ce changement dépendait de manière complexe de l'emplacement des objets, de leur couleur et de leur luminosité.
Cependant, au fur et à mesure que les données étaient collectées, les scientifiques ont découvert qu'il serait plus facile de séparer la fausse parallaxe de la vraie. Lindegren et ses collègues ont pu supprimer la plupart des oscillations du télescope des nouvelles données et ont également dérivé une formule que les chercheurs peuvent utiliser pour corriger les changements de parallaxe en fonction de l'emplacement, de la couleur et de la luminosité d'une étoile.
Monter les escaliers
Armés des nouvelles données, Riess, Friedman et Mador et leurs équipes ont pu recalculer le taux d'expansion de l'univers. En termes généraux, pour mesurer le taux d'expansion, vous devez comprendre à quelle distance les galaxies sont éloignées de nous et à quelle vitesse elles s'éloignent de nous. Mesurer la vitesse est facile, mais la distance est difficile.
Les mesures les plus précises reposent sur des échelles complexes de distances cosmiques". La première étape est les" bougies standard "- les étoiles, à l'intérieur et à l'extérieur de notre galaxie avec une luminosité bien définie, situées suffisamment près de nous pour mesurer leur parallaxe - et c'est la seule façon de mesurer la distance à un objet sans s'en approcher. Les astronomes comparent ensuite la luminosité de ces bougies standard avec celle des plus faibles des galaxies proches pour calculer leur distance. C'est le deuxième échelon de l'échelle. Connaître la distance des galaxies choisies car elles ont des explosions rares et lumineuses de supernovae de type Ia., les astronomes peuvent mesurer les distances relatives aux galaxies situées encore plus loin, là où il y a aussi des supernovae de type Ia, qui sont déjà plus faibles pour nous. Le rapport de la vitesse de ces galaxies éloignées à leur distance donne la vitesse d'expansion de l'espace.
Les parallaxes sont donc essentielles à toute cette conception. "Changez la première étape - les parallaxes - et toutes les étapes qui suivent changeront également", a déclaré Riess, l'un des leaders de l'approche par échelle de distance. "Changez la précision de la première étape, la précision de tout le reste change."
L'équipe de Riesz a utilisé une nouvelle parallaxe de 75 céphéides mesurée par Gaia - des étoiles variables pulsantes, choisies par eux comme leurs bougies standard préférées - pour recalibrer leur mesure du taux d'expansion de l'univers.
Les principaux rivaux de Riess dans le jeu de l'échelle de distance, Friedman et Mador, ont commencé à faire valoir ces dernières années que les Céphéides pourraient cacher une erreur affectant les échelons supérieurs de l'échelle. Par conséquent, sans se fier à eux, leur équipe combine des mesures basées sur diverses bougies standard du jeu de données Gaia - Céphéides, variables RR Lyrae, étoiles du haut de la branche géante rouge, etc. étoiles de carbone .
«Les nouvelles données de Gaia nous donnent une plate-forme sécurisée», a déclaré Mador. Elle et Friedman ont noté que les nouvelles données et leur formule d'ajustement fonctionnent bien. Lors de l'utilisation de diverses méthodes de construction et d'analyse de mesures, les points du graphique, désignant les céphéides et autres étoiles, tombent magnifiquement sur des lignes droites, presque sans hésitation, parlant d'erreurs aléatoires.
"Cela montre que nous obtenons vraiment de vraies données", a déclaré Mador.