Quelle est la vitesse d'expansion de l'univers ? Pourrons-nous un jour le savoir ?

Il est difficile de répondre à ces questions, et les missions d'observation fournissent constamment aux astrophysiciens des outils nouveaux et plus performants pour approfondir les réponses. Si l'univers s'étend à une vitesse appelée « constante de Hubble », deux méthodes principales sont utilisées pour tenter de la mesurer, mais elles ont donné des résultats contradictoires, ce qui a conduit à ce que les scientifiques appellent la « tension de Hubble ».

Les différents modèles qui prétendent offrir la meilleure description de l'univers présentent en réalité de fortes divergences entre eux. Certains scientifiques se sont demandé si notre modèle actuel de l'univers ne manquait pas quelque chose d'important.

La seconde méthode, dont Freedman est spécialiste, consiste à mesurer l'expansion des galaxies proches. Cette méthode a historiquement donné une estimation plus élevée : environ 74 kilomètres par seconde par mégaparsec.

L'écart entre ces deux chiffres a conduit certains scientifiques à penser que notre compréhension de l'univers pourrait être incomplète. De toute évidence, cela suggère que quelque chose de très important n'est pas pris en compte, ce qui suscite de grandes attentes en matière d'expériences nouvelles et indépendantes.

Actuellement, les observations fiables de la luminosité des étoiles mourantes se situent du côté des supernovae. L'expansion de l'univers serait trop rapide au goût de certains chercheurs.

Roman étudiera l'expansion de l'univers

Pour mieux comprendre l'univers, la mission Roman de la NASA observera des milliers d'étoiles en explosion, appelées supernovae de type Ia, sur de vastes périodes de temps et d'espace. Grâce à ces observations, les astronomes cherchent à élucider divers mystères cosmiques, tels que l'énergie noire. Cette recherche utilisera les supernovae de type Ia pour mesurer les distances cosmiques, ce qui nous aidera à comprendre comment l'univers s'est étendu au fil du temps.

Rappelons que les astronomes classent les supernovas de type Ia parmi celles qui se produisent dans des systèmes binaires (systèmes de deux étoiles en orbite l'une autour de l'autre), dans lesquels l'une des étoiles est une naine blanche. L'autre étoile du système peut être de n'importe quel type, d'une étoile géante à une naine blanche plus petite.

L'un des principaux objectifs scientifiques de la mission est d'utiliser les supernovae pour déterminer la nature de l'énergie noire : la pression cosmique inexpliquée qui accélère l'expansion de l'univers.

L'étude de Roman sur les supernovas contribuera à clarifier les mesures contradictoires du taux d'expansion actuel de l'univers et pourrait même fournir un nouveau moyen d'étudier la distribution de la matière noire, qui ne peut être détectée que par ses effets gravitationnels.

De nombreuses supernovae se produisent lorsque des étoiles massives épuisent leur carburant, s'effondrent sous leur propre poids et explosent sous l'effet de fortes ondes de choc projetées depuis leur intérieur. Ces supernovae se produisent environ tous les 50 ans dans notre galaxie, la Voie lactée.

Toutefois, il est prouvé que les supernovae de type Ia prennent naissance dans certains systèmes d'étoiles binaires qui contiennent au moins une naine blanche (le petit vestige chaud d'une étoile semblable au Soleil). Les supernovae de type Ia sont beaucoup plus rares : elles se produisent environ tous les 500 ans dans la Voie lactée.

Dans certains cas, la naine blanche peut absorber de la matière de son compagnon. Cela déclenche une réaction incontrôlée qui fait exploser l'étoile une fois qu'elle a acquis une masse telle qu'elle devient instable.

Les astronomes ont également trouvé des éléments en faveur d'un autre scénario, dans lequel deux naines blanches se rapprochent en spirale et fusionnent. Si leur masse combinée est suffisamment élevée pour provoquer une instabilité, elles pourraient elles aussi produire une supernova de type Ia.

Ces explosions atteignent une luminosité intrinsèque similaire et connue, ce qui fait des supernovae de type Ia ce que l'on appelle des bougies standard : des objets ou des événements qui émettent une quantité spécifique de lumière, ce qui permet aux scientifiques de déterminer leur distance à l'aide d'une formule simple. Grâce à cette formule, les astronomes peuvent déterminer la distance des supernovae en mesurant simplement leur luminosité.

L'animation ci-dessus montre comment Roman mesurera l'énergie noire en utilisant des étoiles qui explosent, appelées supernovae de type Ia. Ces explosions sont provoquées par la destruction totale d'une étoile naine blanche et émettent toutes des quantités similaires de lumière. Cependant, plus elles sont éloignées, plus les explosions sont faibles.

En mesurant la luminosité apparente des supernovae de type Ia, nous disposons d'un moyen de mesurer leurs distances. C'est en comparant le décalage vers le rouge des supernovae avec leur luminosité apparente que les astronomes ont découvert l'énergie noire. Ces études ont montré que les supernovae ayant un décalage vers le rouge plus important étaient moins lumineuses qu'elles ne devraient l'être dans un modèle où l'expansion de l'univers ne s'accélère pas.

Roman étudiera la vitesse d'expansion de l'univers

Les astronomes utiliseront également la mission Roman de la NASA pour étudier la lumière de ces supernovae et déterminer la vitesse à laquelle elles semblent s'éloigner de nous. En comparant la vitesse à laquelle elles s'éloignent à différentes distances, les scientifiques suivront l'expansion cosmique au fil du temps. Cela nous aidera à comprendre si l'énergie noire a changé au cours de l'histoire de l'univers et comment elle l'a fait.

Les études précédentes sur les supernovae de type Ia se sont concentrées sur l'univers relativement proche, principalement en raison des limites des instruments. La vision infrarouge, le champ de vision géant et la sensibilité exquise de l'instrument Roman permettront d'élargir considérablement les recherches, en écartant suffisamment le rideau cosmique pour que les astronomes puissent détecter des milliers de supernovae de type Ia lointaines.

Roman étudiera de près l'influence de l'énergie noire sur plus de la moitié de l'histoire de l'univers, entre 4 et 12 milliards d'années. L'exploration de ce territoire relativement inexploré aidera les scientifiques à apporter des pièces cruciales au puzzle de l'énergie noire.

Référence de l'article :

“Type Ia Supernovae”. Roman Mission, NASA Explore.