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Comme le montre le cours d'astronomie et d'astrophysique en ligne de l'observatoire de Paris, « Fenêtres sur l’univers », toutes les recherches menées dans ces disciplines commencent avec des mesures de distance, de temps, de masse et de température. La cosmologie n'échappe bien sûr pas à cette règle, et c'est pourquoi on s'est donné pour tâche non seulement de cartographier le cosmoscosmos observable à l'échelle des galaxies, mais aussi de déterminer la vitesse d'expansion de l'universunivers. À cet égard, HubbleHubble et surtout Lemaître nous ont appris qu'il y avait une relation entre la distance des galaxies suffisamment lointaines et leur vitesse d'éloignement apparente, plus précisément leurs décalage spectral vers le rouge (on l'exprime souvent en donnant la valeur d'un paramètre noté z).
La mesure de la constante de Hubble nous livre une estimation de l'âge de l'univers. On a donc cherché à la mesurer avec le plus de précision possible pendant des décennies. L'entreprise s'est révélée difficile. Pendant longtemps, on ne pouvait guère faire mieux qu'en déduire que l'univers devait avoir un âge compris entre 10 et 20 milliards d'années. La mise en service du télescopetélescope Hubble a permis des progrès significatifs. Grâce à PlanckPlanck, nous savons désormais que l'âge du cosmos est d'environ 13,8 milliards d'années.
La constante de Hubble, des SN Ia aux AGN
En cours de route, nous avons aussi découvert que l'expansion de l'univers s'accélérait depuis quelques milliards d'années. On ne connaît pas encore la cause de ce phénomène, que l'on relie à l'existence d'une mystérieuse énergie noire. Comme on le savait depuis longtemps, la constante de Hubbleconstante de Hubble ne l'est pas vraiment, elle change au court du temps. Toute nouvelle méthode de sa détermination, notamment à grande distance et donc dans un passé plus lointain, peut aider à faire la lumièrelumière sur la nature de l'énergie noireénergie noire.
Le principe de la mesure de la constante de Hubble à l'aide de la variabilité des émissions de lumière d'un noyau actif de galaxie (aussi appelé AGN, active galactic nucleus en anglais) est représenté sur ce schéma. Un tore de poussières (dusty torus) émet de la lumière dans le proche infrarouge avec des pics de luminosité reliés à ceux dans l’ultraviolet produits par un trou noir supermassif central. Un décalage dans le temps entre les pics est relié à la distance d séparant le trou noir central de son tore de poussières. © Astrobites
On a beaucoup utilisé les supernovaesupernovae SNSN Ia dans ce but et on continue à le faire, comme nous l'avait expliqué le prix Nobel Saul Perlmutter. On pense que leur luminositéluminosité intrinsèque, qui est très grande, varie suffisamment peu pour que des mesures de magnitude apparentemagnitude apparente nous permettent d'en déduire des distances avec une certaine confiance. La mesure de leur décalage spectral nous permet ensuite d'en tirer la valeur de la constante de Hubble.
Un groupe d'astronomesastronomes a récemment déposé sur arxiv un article dans lequel ils montrent que l'on peut aussi se servir des noyaux actifs de galaxiesnoyaux actifs de galaxies (active galactic nuclei ou AGN en anglais) pour déterminer des distances et, in fine, la constante de Hubble. Comme les SN Ia, les AGN sont particulièrement lumineux, ce qui veut dire qu'on peut les détecter à des milliards d'années-lumièreannées-lumière. Mais ils ont l'avantage d'être plus nombreux que les supernovae lorsqu'on fait des observations concernant des astresastres à grand décalage spectral vers le rouge. On sait par exemple qu'il y a beaucoup de quasarsquasars pour des décalages spectraux de l'ordre de z = 7.
Luminosité intrinsèque reliée à la taille du tore de poussières
L'idée mise en œuvre par les chercheurs est simple. Les AGN sont des trous noirs supermassifstrous noirs supermassifs entourés d'un tore de poussières. Le rayonnement ultravioletultraviolet intense qu'ils dégagent en avalant de la matièrematière est partiellement absorbé par ce tore, qui réémet une partie de cette énergie dans le domaine infrarougeinfrarouge. Un AGN se comporte comme une source variable avec des pics d'intensité. Lorsqu'il s'en produit un dans l'ultraviolet, il s'en produit un dans l'infrarouge mais avec du retard. Ce décalage temporel s'explique bien par le fait que le rayonnement émis au centre de l'AGN doit voyager jusqu'au tore qui l'entoure. On peut montrer que la distance séparant le tore du trou noir central varie comme la racine carrée de la luminosité intrinsèque de l'AGN. Ses fluctuations permettant de déterminer cette distance, on peut connaître cette luminosité et la comparer à la magnitude apparente de l'AGN. Comme pour les SN Ia, plus l'AGN sera loin, plus sa luminosité apparente sera faible par rapport à sa luminosité intrinsèque.
Les astronomes ont testé leur méthode avec 17 AGN possédant un décalage spectral peu important et ils ont comparé les estimations obtenues avec celles dérivées de l'étude des céphéidescéphéides hébergées par les galaxies. La précision des mesures s'est trouvée être comparable à celles atteintes en utilisant le télescope Hubble. On a donc toutes les raisons de penser que l'on dispose bien d'un nouvel outil complémentaire des SN Ia pour mesurer la valeur de la constante de Hubble à grande distance. S'il permettait de mettre en évidence une variation dans le temps de la constante cosmologiqueconstante cosmologique, nous saurions du même coup que l'énergie noire n'est pas une simple manifestation des fluctuations du vide quantique.
