Une loupe cosmique pour mesurer l'expansion de l'Univers

L’Univers s’étendrait plus rapidement qu’on le pensait. C’est ce qui ressort des observations menées par une équipe internationale d’astrophysiciens utilisant des données du télescope Hubble et à la NASA. Ces chercheurs, dont certains font partie de l’EPFL, ont utilisé un processus inédit. Plutôt que de se servir des techniques traditionnelles, ils ont calculé l’expansion de l’Univers - appelée la constante de Hubble – en utilisant le phénomène naturel de lentille gravitationnelle. Une méthode sur laquelle le Laboratoire d’astrophysique de l’EPFL (LASTRO) travaille depuis plusieurs années et dont il s’est fait une spécialité.

Ces nouveaux calculs sont le fruit d’un travail mené par des experts réunis dans H0LiCOW, un groupe issu d’un projet international nommé COSMOGRAIL. Initié et dirigé par les chercheurs de l’EPFL, ce dernier a pour but de recenser et d’utiliser les systèmes cosmiques agissant comme lentilles gravitationnelles, c’est-à-dire où la gravité d’une galaxie agit comme une sorte de loupe cosmique géante et permet d’observer un objet plus lointain situé en son arrière-fond.

En utilisant ce principe, les chercheurs ont pu calculer une constante de Hubble d’une valeur de 73 kilomètres par seconde et par megaparsec, avec une marge d’erreur de 2,4%. En clair, cela signifie que pour chaque distance supplémentaire de 3,3 millions d’années-lumière la séparant de la Terre, une galaxie apparaîtra comme s’éloignant plus rapidement de 73 kilomètres par seconde. Une valeur significativement différente de celle de 67 km par seconde, obtenue par mesure du fond de rayonnement cosmologique via le satellite Planck.

C’est une découverte de taille. Car mesurer la constante de Hubble de manière précise ne permet rien de moins que de déterminer l’âge, la taille et l’évolution du cosmos. C’est donc l’un des défis actuels les plus importants du monde de l’astrophysique.

C’est pourquoi la communauté scientifique a été quelque peu secouée par l’écart entre le chiffre obtenu par H0LiCOW avec la méthode de la lentille gravitationnelle, utilisant des mesures du cosmos local, et celui prédit par l’observation du fond de radiations de l’univers primordial d’il y a 13 milliards d’années, à l’aide notamment du satellite Planck de l’Agence spatiale européenne (ESA).

«Si ces deux résultats ne correspondent pas, c’est peut-être le signe que nous ne comprenons pas encore totalement comment la matière et l’énergie évoluent au fil du temps, et plus particulièrement au tout début de l’Univers», explique l’un des leaders de l’équipe H0LiCOW, Sherry Suyu, de l’Institut Max-Planck d'astrophysique, en Allemagne.

Six quasars étudiés

Les scientifiques ont obtenu leurs résultats en analysant la lumière de six quasars. Ces objets célestes, représentant la région compacte entourant un trou noir au centre d'une galaxie massive, offrent un arrière-fond idéal pour les observations en raison de leur extrême brillance, leur grande distance et leur répartition uniforme dans le ciel. Entre eux et la Terre, à des distances allant de 3 à 6,5 milliards d’années-lumière, se trouve à chaque fois une imposante galaxie elliptique, dont la gravité a pour effet de décomposer la lumière du quasar parvenant à la Terre en plusieurs faisceaux et qui agit comme une loupe, d’où le nom de « lentille gravitationnelle ».

Ces faisceaux prennent des chemins légèrement différents à travers l’espace suivant la quantité de matière qu’ils traversent en passant à proximité de la galaxie et donnent lieu à la formation de plusieurs images « mirage ». Les astrophysiciens ont ensuite observé les fluctuations lumineuses qui ont lieu lorsque le trou noir du quasar, en arrière-fond, absorbe de la matière. Ces oscillations sont mesurées depuis la Terre à des instant différents dans chacune des images mirages du quasar. Les chercheurs du programme COSMOGRAIL ont pu mesurer les écarts de temps de leurs trajets respectifs les menant à la Terre. Ce sont ces écarts, aussi appélés « délais temporels », qui sont liés à la valeur de la constante de Hubble.

«Nous avons pu relever le défi de mesurer les délais temporels précis pour plusieurs de ces lentilles gravitationnelles grâce à nos programmes dédiés au suivi de ce type de systèmes», explique Frédéric Courbin, chercheur à l’EPFL, l’un des fondateurs et responsables de COSMOGRAIL. Sherry Suyu ajoute: «Dans le même temps, nous avons développé de nouvelles techniques de modélisation de masse à partir des images de Hubble et de différents autres télescopes au sol afin de mesurer la distribution de la matière galactique. Nous avons ainsi par exemple pu reconstruire l’image de la galaxie hôte du quasar et avoir une meilleure connaissance de l’environnement général du système et de son influence sur la courbure des faisceaux lumineux. Toutes ces informations nous aident aussi à obtenir une mesure précise des distances entre les objets en présence.»

Lancé en 2012, le projet H0LiCOW dispose maintenant des images et informations sur les délais temporels de dix systèmes de la sorte. L’équipe a pour but d’en étudier trente de plus, afin de pouvoir notamment réduire la marge d’erreur de 2,4% à 1%. Cette recherche à tout récemment été soutenue par un financement de la commission européenne attribué à l’EPFL, donnant une forte impulsion au projet.

Contact:

EPFL:

Frédéric Courbin, Laboratoire d'astrophysique EPFL, [email protected], +41 22 379 24 18

Martin Millon, Laboratoire d'astrophysique EPFL, [email protected], +41 22 379 24 39

NASA:

Donna Weaver, Space Telescope Science Institute, Baltimore, Maryland, [email protected], +001 410-338-4493

Ray Villard, Space Telescope Science Institute, Baltimore, Maryland, [email protected], +001 410-338-4514