Measuring the Hubble Constant: The Tension

Mesurer la constante de Hubble : la tension

Les divergences entre mesures locales et du début de l’univers alimentent de nouvelles questions cosmologiques

L’importance de H0

La constante de Hubble (H0) fixe le taux d’expansion actuel de l’univers, généralement exprimé en kilomètres par seconde par mégaparsec (km/s/Mpc). Une valeur précise de H0 est cruciale en cosmologie parce que :

  1. Cela détermine l’âge de l’univers lorsqu’on l’extrapole à partir de l’expansion.
  2. Cela calibre l’échelle des distances pour d’autres mesures cosmiques.
  3. Cela aide à lever les dégénérescences dans les ajustements des paramètres cosmologiques (par exemple, la densité de matière, les paramètres de l’énergie noire).

Traditionnellement, les astronomes mesurent H0 via deux stratégies distinctes :

  • Approche locale (échelle des distances) : Partir de la parallaxe vers les Céphéides ou TRGB (sommet de la branche des géantes rouges), puis utiliser les supernovae de type Ia, fournissant un taux d’expansion direct dans l’univers relativement proche.
  • Approche du début de l’univers : Inférer H0 à partir des données du fond diffus cosmologique (CMB) sous un modèle cosmologique choisi (ΛCDM), plus les oscillations acoustiques des baryons ou d’autres contraintes.

Ces dernières années, ces deux approches donnent des valeurs de H0 significativement différentes : une mesure locale plus élevée (~73–75 km/s/Mpc) contre une mesure plus basse basée sur le CMB (~67–68 km/s/Mpc). Cette divergence — appelée la « tension de Hubble » — suggère soit une nouvelle physique au-delà du modèle standard ΛCDM, soit des systématiques non résolues dans une ou les deux méthodes de mesure.

2. Échelle locale des distances : une approche étape par étape

2.1 Parallaxe et calibration

La base de l’échelle locale des distances est la parallaxe (trigonométrique) pour les étoiles relativement proches (mission Gaia, parallaxe HST pour les Céphéides, etc.). La parallaxe fixe l’échelle absolue pour les chandelles standards telles que les variables Céphéides, qui ont une relation période–luminosité bien caractérisée.

2.2 Céphéides et TRGB

  • Variables Céphéides : L’échelon clé pour calibrer des indicateurs plus lointains comme les supernovae de type Ia. Freedman et Madore, Riess et al. (équipe SHoES), et d’autres ont affiné les calibrations locales des Céphéides.
  • Sommet de la branche des géantes rouges (TRGB) : Une autre technique utilise la luminosité des géantes rouges au début de la flash d’hélium dans des populations pauvres en métaux. L’équipe Carnegie–Chicago (Freedman et al.) a mesuré une précision d’environ 1 % dans certaines galaxies locales, offrant une alternative aux Céphéides.

2.3 Supernovae de type Ia

Une fois que les Céphéides (ou TRGB) dans les galaxies hôtes ancrent les luminosités des supernovae, on peut mesurer les supernovae jusqu'à plusieurs centaines de Mpc. En comparant la luminosité apparente des supernovae avec la luminosité absolue dérivée, on obtient des distances. Tracer la vitesse de récession (à partir du décalage vers le rouge) en fonction de la distance donne localement H0.

2.4 Les mesures locales

Riess et al. (SHoES) trouvent typiquement H0 ≈ 73–74 km/s/Mpc (avec une incertitude d’environ 1,0–1,5 %). Freedman et al. (TRGB) trouvent des valeurs autour de 69–71 km/s/Mpc, un peu plus basses que Riess mais toujours supérieures à la valeur Planck d’environ 67. Ainsi, bien que les mesures locales diffèrent quelque peu entre elles, elles se regroupent généralement autour de 70–74 km/s/Mpc — plus élevées que les ~67 de Planck.

3. Approche de l’univers primordial (CMB)

3.1 Le modèle ΛCDM et le CMB

Les anisotropies du fond diffus cosmologique (CMB) mesurées par WMAP ou Planck, sous un modèle cosmologique standard ΛCDM, permettent d’inférer les échelles des pics acoustiques et d’autres paramètres. En ajustant le spectre de puissance du CMB, on obtient Ωb h², Ωc h², et d’autres paramètres. En combinant ces résultats avec l’hypothèse de platitude, et avec les données BAO ou autres, on déduit une valeur de H0.

3.2 La mesure de Planck

Les données finales de la collaboration Planck donnent typiquement H0 = 67,4 ± 0,5 km/s/Mpc (selon les priors exacts), environ 5–6σ plus bas que la mesure locale SHoES. Cette différence, connue sous le nom de tension de Hubble, atteint une signification d’environ 5σ, ce qui suggère qu’il est peu probable qu’elle soit due à un hasard.

3.3 Pourquoi la divergence est importante

Si le modèle standard ΛCDM est correct et que les données Planck sont systématiquement robustes, alors les méthodes locales d’échelle des distances doivent contenir une systématique non reconnue. Sinon, si les distances locales sont exactes, peut-être que le modèle de l’univers primordial est incomplet — une nouvelle physique pourrait affecter l’expansion cosmique ou une espèce relativiste supplémentaire ou une énergie noire précoce modifie la valeur déduite de H0.

4. Sources potentielles de divergence

4.1 Erreurs systématiques dans l’échelle des distances ?

Un soupçon est que les étalonnages des Céphéides ou la photométrie des supernovas pourraient contenir des systématiques non corrigées — comme les effets de la métallité sur la luminosité des Céphéides, les corrections de flux local, ou les biais de sélection. Cependant, la forte cohérence interne entre plusieurs équipes réduit la probabilité d’une erreur importante. Les méthodes TRGB convergent aussi vers un H0 modérément élevé, bien que légèrement inférieur à celui des Céphéides, mais toujours supérieur à celui de Planck.

4.2 Systématiques non reconnues dans le CMB ou ΛCDM ?

Une autre possibilité est que l’interprétation du CMB par Planck sous ΛCDM omette un facteur crucial, par exemple :

  • Physique étendue des neutrinos ou une espèce relativiste supplémentaire (Neff).
  • Énergie noire précoce près de la recombinaison.
  • Géométrie non plate ou énergie noire variant dans le temps.

Planck ne détecte pas de signe fort de celles-ci, mais des indices légers apparaissent dans certains ajustements de modèles étendus. Aucun ne résout encore la tension de manière convaincante sans engendrer d’autres anomalies ou augmenter la complexité.

4.3 Deux constantes de Hubble différentes ?

Certains soutiennent que le taux d’expansion à faible décalage vers le rouge pourrait différer de la moyenne globale si de grandes structures locales ou des inhomogénéités (la « bulle de Hubble ») existent, mais les données provenant de multiples directions, d’autres échelles cosmiques et l’hypothèse d’homogénéité générale rendent une grande bulle locale ou une explication par l’environnement local moins susceptibles d’expliquer entièrement la tension.

5. Efforts pour résoudre la tension

5.1 Méthodes indépendantes

Les chercheurs testent des calibrations locales alternatives :

  • Masers dans les galaxies mégamasers (comme NGC 4258) comme ancre pour les distances des supernovas.
  • Retards temporels de lentillage fort (H0LiCOW, TDCOSMO).
  • Fluctuations de brillance de surface dans les galaxies elliptiques.

Jusqu’à présent, celles-ci soutiennent généralement H0 dans la fourchette haute des 60 à basse des 70, sans convergence vers une même valeur exacte, mais généralement au-dessus de 67. Ainsi, aucune voie indépendante unique n’a éliminé la tension.

5.2 Plus de données de DES, DESI, Euclid

Les BAO mesurés à différents décalages vers le rouge peuvent reconstruire H(z) pour tester si une déviation du ΛCDM apparaît entre z = 1100 (époque du CMB) et z = 0. Si les données montrent une évolution qui produit un H0 local plus élevé tout en correspondant à Planck à haut z, cela pourrait indiquer une nouvelle physique (comme l’énergie noire précoce). DESI vise une mesure de distance à ~1 % à plusieurs décalages vers le rouge, ce qui pourrait clarifier la trajectoire de l’expansion cosmique.

5.3 Échelle de distance de nouvelle génération

Les équipes locales continuent de raffiner les calibrations de parallaxe via les données Gaia, améliorant les points zéro des Céphéides et revérifiant les systématiques en photométrie des supernovas. Si la tension persiste avec des barres d’erreur plus petites, l’argument en faveur d’une nouvelle physique au-delà du ΛCDM se renforce. Si elle disparaît, nous confirmerons la solidité du ΛCDM.

6. Les implications pour la cosmologie

6.1 Si Planck a raison (H0)

Un H0 ≈ 67 km/s/Mpc correspond au ΛCDM standard de z = 1100 à aujourd’hui. Alors les méthodes locales d’échelle de distance doivent être systématiquement erronées, ou nous habitons une région locale inhabituelle. Ce scénario indique que l’âge de l’univers est d’environ 13,8 milliards d’années. Les prédictions de la structure à grande échelle restent cohérentes avec les données de regroupement des galaxies, les BAO et le lentillage.

6.2 Si l’échelle locale est correcte (H0)

Si H0 ≈ 73 est correct, alors l’ajustement standard ΛCDM à Planck doit être incomplet. Nous pourrions avoir besoin de :

  • Une énergie noire précoce additionnelle qui accélère temporairement l’expansion avant la recombinaison, modifiant les angles des pics de sorte que l’inférence de H0 basée sur Planck est abaissée.
  • Des degrés de liberté relativistes supplémentaires ou une nouvelle physique des neutrinos.
  • Une rupture de l’hypothèse d’un univers plat purement ΛCDM.

Une nouvelle physique pourrait résoudre la tension au prix de modèles plus complexes, mais pourrait être testée par d’autres données (lentilles CMB, contraintes sur la croissance des structures, nucléosynthèse primordiale).

6.3 Perspectives futures

La tension invite à des vérifications rigoureuses croisées. CMB-S4 ou des données de cisaillement cosmique de nouvelle génération peuvent vérifier si la croissance des structures s’aligne avec une expansion à H0 élevée ou faible. Si la tension reste constante à ~5σ, cela indique fortement que le modèle standard doit être révisé. Un développement théorique majeur ou une résolution systématique pourrait finalement trancher.

7. Conclusion

Mesurer la constante de Hubble (H0) est au cœur de la cosmologie, reliant les observations locales de l’expansion au cadre de l’univers primordial. Les méthodes actuelles produisent deux résultats distincts :

  1. L’échelle locale des distances (via Céphéides, TRGB, SNe) donne typiquement H0 ≈ 73 km/s/Mpc.
  2. Les ajustements ΛCDM basés sur le CMB, utilisant les données Planck, donnent H0 ≈ 67 km/s/Mpc.

Cette « tension de Hubble », à environ 5σ de signification, implique soit des systématiques non reconnues dans une des approches, soit une nouvelle physique au-delà du modèle standard ΛCDM. Les améliorations en cours dans la calibration des parallaxes (Gaia), le point zéro des supernovae, les distances par délai temporel de lentilles, et les oscillations acoustiques baryoniques à haut décalage spectral testent chaque hypothèse. Si la tension persiste, elle pourrait révéler des solutions exotiques (énergie noire précoce, neutrinos supplémentaires, etc.). Si elle diminue, nous confirmerons la solidité du ΛCDM.

Chaque résultat façonne profondément notre récit cosmique. La tension stimule de nouvelles campagnes d’observation (DESI, Euclid, Roman, CMB-S4) et des modèles théoriques avancés, démontrant la nature dynamique de la cosmologie moderne — où des données précises et des anomalies persistantes alimentent notre quête pour unifier l’univers primordial et l’univers actuel en une image cohérente.

Références 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). « Résultats Planck 2018. VI. Paramètres cosmologiques. » 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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