Le nom «énergie noire» n'est qu'un espace réservé à la force - quelle qu'elle soit - qui provoque l'expansion de l'Univers. De nouvelles observations de plusieurs étoiles variables céphéides par le télescope spatial Hubble ont affiné la mesure du taux d'expansion actuel de l'Univers avec une précision où l'erreur est inférieure à cinq pour cent. La nouvelle valeur du taux d'expansion, connue sous le nom de constante de Hubble, ou H0 (d'après Edwin Hubble qui a mesuré pour la première fois l'expansion de l'univers il y a près d'un siècle), est de 74,2 kilomètres par seconde par mégaparsec (marge d'erreur de ± 3,6). Les résultats concordent étroitement avec une mesure antérieure glanée à Hubble de 72 ± 8 km / sec / mégaparsec, mais sont maintenant plus de deux fois plus précis.
La mesure Hubble, menée par l'équipe SHOES (Supernova H0 pour l'équation d'État) et dirigée par Adam Riess, du Space Telescope Science Institute et de l'Université Johns Hopkins, utilise un certain nombre de raffinements pour rationaliser et renforcer la construction d'un cosmique «Échelle de distance», d'un milliard d'années-lumière, que les astronomes utilisent pour déterminer le taux d'expansion de l'univers.
Les observations de Hubble des variables de Céphéide pulsantes dans un marqueur de mile cosmique proche, la galaxie NGC 4258, et dans les galaxies hôtes des supernovae récentes, relient directement ces indicateurs de distance. L'utilisation de Hubble pour combler ces échelons dans l'échelle a éliminé les erreurs systématiques qui sont presque inévitablement introduites en comparant les mesures de différents télescopes.
Riess explique la nouvelle technique: «C'est comme mesurer un bâtiment avec un long ruban à mesurer au lieu de déplacer un bâton de jardin bout à bout. Vous évitez d'aggraver les petites erreurs que vous faites à chaque fois que vous déplacez l'étalon. Plus le bâtiment est haut, plus l'erreur est grande. »
Lucas Macri, professeur de physique et d'astronomie à Texas A&M, et contributeur important aux résultats, a déclaré: «Les céphéides sont l'épine dorsale de l'échelle de distance car leurs périodes de pulsation, qui sont facilement observables, sont directement liées à leurs luminosités. Un autre raffinement de notre échelle est le fait que nous avons observé les céphéides dans les parties proche infrarouge du spectre électromagnétique où ces étoiles variables sont de meilleurs indicateurs de distance qu'aux longueurs d'onde optiques. »
Cette nouvelle valeur plus précise de la constante de Hubble a été utilisée pour tester et contraindre les propriétés de l'énergie sombre, la forme d'énergie qui produit une force répulsive dans l'espace, ce qui entraîne l'accélération du taux d'expansion de l'univers.
En mettant entre parenthèses l'histoire de l'expansion de l'univers entre aujourd'hui et lorsque l'univers n'avait que 380 000 ans environ, les astronomes ont pu limiter la nature de l'énergie sombre qui accélère l'expansion. (La mesure de l'univers lointain et précoce est dérivée des fluctuations du fond cosmique des micro-ondes, telles que résolues par la sonde d'anisotropie Wilkinson de la NASA, WMAP, en 2003.)
Leur résultat est conforme à l'interprétation la plus simple de l'énergie sombre: qu'elle est mathématiquement équivalente à l'hypothèse de la constante cosmologique d'Albert Einstein, introduite il y a un siècle pour pousser sur le tissu de l'espace et empêcher l'univers de s'effondrer sous l'effet de la gravité. (Einstein, cependant, a supprimé la constante une fois l'expansion de l'univers découverte par Edwin Hubble.)
"Si vous mettez dans une boîte toutes les façons dont l'énergie sombre peut différer de la constante cosmologique, cette boîte serait désormais trois fois plus petite", explique Riess. "C'est un progrès, mais nous avons encore un long chemin à parcourir pour déterminer la nature de l'énergie sombre."
Bien que la constante cosmologique ait été conçue il y a longtemps, les preuves observationnelles de l'énergie noire ne sont arrivées qu'il y a 11 ans, lorsque deux études, l'une dirigée par Riess et Brian Schmidt de l'Observatoire du mont Stromlo, et l'autre par Saul Perlmutter de Lawrence Berkeley National Laboratory, a découvert l'énergie sombre indépendamment, en partie grâce aux observations de Hubble. Depuis lors, les astronomes ont poursuivi leurs observations pour mieux caractériser l'énergie sombre.
L'approche de Riess pour rétrécir les explications alternatives de l'énergie sombre - qu'il s'agisse d'une constante cosmologique statique ou d'un champ dynamique (comme la force répulsive qui a provoqué l'inflation après le big bang) - est d'affiner davantage les mesures de l'histoire de l'expansion de l'univers.
Avant le lancement de Hubble en 1990, les estimations de la constante de Hubble variaient d'un facteur deux. À la fin des années 1990, le projet clé du télescope spatial Hubble sur l'échelle de distance extragalactique a affiné la valeur de la constante de Hubble à une erreur d'environ dix pour cent seulement. Cela a été accompli en observant les variables de Céphéide à des longueurs d'onde optiques jusqu'à des distances plus grandes que celles obtenues précédemment et en les comparant à des mesures similaires à partir de télescopes au sol.
L'équipe SHOES a utilisé la caméra infrarouge proche et le spectromètre multi-objets de Hubble (NICMOS) et la caméra avancée pour les levés (ACS) pour observer 240 étoiles variables Céphéides à travers sept galaxies. L'une de ces galaxies était NGC 4258, dont la distance a été déterminée très précisément par des observations avec des radiotélescopes. Les six autres galaxies ont récemment hébergé des supernovae de type Ia qui sont des indicateurs de distance fiables pour des mesures encore plus lointaines dans l'univers. Les supernovae de type Ia explosent toutes avec presque la même quantité d'énergie et ont donc presque la même luminosité intrinsèque.
En observant des céphéides aux propriétés très similaires aux longueurs d'onde proche infrarouge dans les sept galaxies et en utilisant le même télescope et le même instrument, l'équipe a pu calibrer plus précisément la luminosité des supernovae. Grâce aux puissantes capacités de Hubble, l'équipe a pu contourner certains des échelons les plus fragiles le long de l'échelle de distance précédente, impliquant des incertitudes dans le comportement des Céphéides.
Riess aimerait éventuellement voir la constante de Hubble affinée à une valeur avec une erreur de pas plus d'un pour cent, pour imposer des contraintes encore plus strictes sur les solutions à l'énergie sombre.
Source: Space Telescope Science Institute
