Constante de Hubble

Une valeur de 70 km/s/Mpc pour la constante de Hubble signifie qu'une galaxie située à 1 mégaparsec (environ 3,26 millions d'années-lumière) de l'observateur s'éloigne du fait de l'expansion de l'Univers (et donc hors effet d'un mouvement propre de l'objet, négligeable à très grande distance) à une vitesse d'environ 70 km/s. Une galaxie située à 10 Mpc s'éloigne à une vitesse de 700 km/s, etc.

Une conséquence a priori surprenante de la loi de Hubble-Lemaître est qu'une galaxie qui serait située à plus de 4 000 Mpc (14 milliards d'années-lumière) s'éloignerait de nous à une vitesse supérieure à la vitesse de la lumière. Ceci indique simplement que l'interprétation en termes de mouvement des galaxies dans l'espace devient impropre à très grande distance. La relativité générale explique qu'il faut considérer que l'on est en présence d'une expansion de l'espace lui-même.

Les écarts entre les différentes valeurs indiquées ci-dessus pour la constante de Hubble sont modestes ; mais si cette différence provient d'une accélération de l'expansion de l'Univers et non d'approximations de mesure, elle peut remettre en question le modèle cosmologique du devenir de l'Univers. Aux précédentes hypothèses de Big Bounce, Big Crunch et Big Chill viendrait alors s'ajouter la possibilité d'un Big Rip déjà envisagé par l'astrophysicien américain Robert Caldwell dans les années 1990.

La découverte expérimentale de la relation linéaire entre le décalage vers le rouge et la distance d'un objet distant, associé à une relation linéaire a priori entre la vitesse de récession et le décalage vers le rouge, se formalise de manière mathématique de la manière suivante :

${\displaystyle v=H_{0}\,D}$

où

• ${\displaystyle v}$ est la vitesse de récession, exprimée typiquement en km/s ;
• ${\displaystyle H_{0}}$ est la constante de Hubble et correspond à la valeur du paramètre de Hubble à l'instant t₀, exprimée en fonction du facteur d'échelle ;
• ${\displaystyle D}$ est la distance propre (qui peut changer en fonction du temps, au contraire de la distance comobile qui est constante) de l'objet distant à l'observateur, mesurée en mégaparsecs (Mpc) depuis la galaxie de l'observateur, dans l'espace à 3 dimensions définis par le temps cosmologique donné. La vitesse de récession ${\displaystyle v}$ est alors simplement ${\displaystyle v=dD/dt}$.

La valeur de la constante de Hubble est estimée à partir de la mesure de deux paramètres concernant des objets lointains. D'une part, le décalage vers le rouge (redshift) permet de connaître la vitesse à laquelle des galaxies lointaines s'éloignent de nous (à grande distance on peut négliger le mouvement propre). D'autre part, on mesure la distance de ces galaxies. Cette deuxième mesure est délicate à réaliser, ce qui cause de grandes incertitudes sur la valeur de la constante de Hubble.

Au début de la seconde moitié du XX^e siècle, la valeur de la constante de Hubble était estimée entre 50 et 100 km/s/Mpc. Puis dans les années 1990, les hypothèses du modèle ΛCDM ont abouti à une valeur proche de 70 km/s/Mpc.

Si les observations réalisées depuis les années 2010 concordent approximativement avec une valeur proche de 70 km/s/Mpc, elles posent néanmoins un problème aux astrophysiciens.

Jusqu'à la fin des années 2010, deux méthodes principales étaient utilisées pour estimer expérimentalement la valeur de la constante de Hubble :

• à l'aide d'observations s'appuyant sur des chandelles standards. La méthode utilisée comporte deux étapes. Tout d'abord, des mesures très précises grâce à des télescopes spatiaux sur des céphéides permettent de déterminer la distance de nombreuses galaxies dans un rayon de 30 Mpc. Les céphéides étant de simples étoiles, elles ne peuvent pas être observées à de très grandes distances, en tout cas pas à des distances adaptées à une mesure de ${\displaystyle H_{0}}$. Dans une deuxième étape les données précédentes sont utilisées pour calibrer des mesures de distances sur des galaxies beaucoup plus lointaines (dans un rayon de 400 Mpc), obtenues par des méthodes différentes : mesure de luminosité de supernovae, mesure de la luminosité globale de galaxies spirales et mise en rapport avec leur vitesse de rotation (loi de Tully-Fisher), ou encore mesure de la luminosité globale de galaxies elliptiques et mise en rapport avec leur vitesse de dispersion (utilisation du plan fondamental pour la mesure de distances) ;
• à l'aide d'observation du rayonnement diffus cosmologique dans le cadre du modèle ΛCDM. On s'appuie alors sur des programmes d'observation destinés à estimer les paramètres principaux de ce dernier modèle, comme WMAP ou le télescope spatial Planck.

Les valeurs les plus précises obtenues pour la constante de Hubble obtenues à l'aide de la première méthode convergent autour de 73 km/s/Mpc, tandis que celles utilisées la seconde approchent 67 km/s/Mpc. La différence est alors significative (en fonction des études, de l'ordre de trois à cinq écarts-type). Si la précision du premier type de mesure devrait être ramenée à 1 % d'ici cinq ans, rien n'indique que des observations supplémentaires puissent réduire significativement le désaccord avec le deuxième type de mesure. Au fur et à mesure que les études confirment cette différence, un biais dans les mesures de distance apparaît de moins en moins probable.

D'autres méthodes de mesures viennent alimenter la recherche à la fin des années 2010 :

• l'utilisation des ondes gravitationnelles détectées par LIGO et Virgo, avec une précision attendue de 2 % d'ici 2025 (et 1 % d'ici 2030)[1]. En 2019, le niveau de précision de cette méthode ne permet pas de pencher en faveur de l'une ou l'autre des valeurs de référence pour la constante de Hubble[2] ;
• l'utilisation des variations temporelles entre plusieurs images (par des lentilles gravitationnelles) d'objets massifs, méthode utilisée notamment par la collaboration internationale H0LiCOW (H0 Lenses in COSMOGRAIL's Wellspring), et dont les résultats sont compatibles avec la méthode des chandelles standards.

En 2019 on ne connaît pas de manière définitive les raisons de cette incompatibilité[3]. Lors du congrès de cosmologie réuni, en juillet 2019, à Santa Barbara (Californie), les astrophysiciens présentent plusieurs mesures du taux d'expansion de l'Univers comprises entre 69,8 et 76,5 km/s/Mpc, à ±2 km/s/Mpc près, une divergence qualifiée par la plupart des participants de « problème » ou « tension »[4] - [5]. Plusieurs publications appellent notamment à un réexamen du modèle ΛCDM pour résoudre ce problème[6] - [7].

Valeurs estimées pour la constante de Hubble, à partir de mesures réalisées depuis 2001. Les estimations en noir s'appuient des méthodes de chandelles standards et se concentrent autour de 73 km/s/Mpc. Les valeurs en rouge s'appuient sur l'observation du fond diffus cosmologique dans le cadre du modèle ΛCDM et semblent s'accorder autour de 67 km/s/Mpc. Les mesures en bleus indiquent d'autres techniques, et l'absence de convergence des valeurs ne permet pas d'arbitrer entre les deux autres méthodes de mesure.