Astronomie

Les résultats récents sur les mesures constantes de Hubble

Les résultats récents sur les mesures constantes de Hubble

Dans les dernières nouvelles il y a cette annonce

Dans l'introduction ils disent :

Ecart de mesure de distance : a $4.4σ$ tension sur la valeur de $H_0$

et je comprends que l'écart est avec la valeur dérivée à l'aide du rayonnement cosmique micro-ondes (CMB). D'autres publications suivront.

Ces mesures sont locales, c'est-à-dire de l'univers tel qu'il est maintenant.

Par coïncidence, je cherchais la baryogenèse et je suis tombé sur la condition de Sakharov pour générer l'asymétrie entre les baryons et les antibaryons qui a dû se produire au moment où la carte CMB s'est solidifiée.

N'importe laquelle des trois conditions nécessaires qu'une interaction génératrice de baryons doit satisfaire pour produire de la matière et de l'antimatière à des rythmes différents : (i) violation du nombre baryonique ; (ii) violation de la symétrie C et de la symétrie CP ; (iii) interactions hors équilibre thermique.

iii) me semble pertinent pour une mesure de la constante de Hubble en utilisant les données du CMB car cela affecterait ce qui est présumé dans la cosmologie standard :

Le CMB est également utilisé pour déterminer la constante de Hubble, où la température est analysée en fonction de la fréquence - un spectre de puissance - et une analyse de meilleur ajustement est effectuée pour contraindre la constante de Hubble.

Si les interactions hors de l'équilibre thermique sont responsables de la baryogenèse, peut-être que les hypothèses entrant dans l'ajustement devraient changer, et peut-être que l'écart entre les deux méthodes en dit long sur la baryogenèse.

En tant que physicien des particules, je ne suis pas à la hauteur des calculs astrophysiques. Quelqu'un connaît-il ce sujet et pourrait-il dire s'il s'agit d'une suggestion possible?

Modifier : ajouté

Ce lien dit que les conditions de Sakharov sont nécessaires, et le modèle standard obéit aux trois :

Lors d'une transition de phase électrofaible du premier ordre, des bulles du vide rompu se forment en une phase continue. On montre que l'expansion de ces parois de bulles conduit à un écart considérable par rapport à l'équilibre thermique.

Puisque les conditions de Sakharov sont satisfaites, l'asymétrie baryonique de l'Univers pourrait être créée pendant la transition de phase électrofaible. Malheureusement, il a été montré que la quantité de violation de CP couplée à la force d'une transition de phase de premier ordre n'est pas suffisante pour créer suffisamment d'asymétrie baryonique dans le SM.

Le modèle standard doit certainement être utilisé pour estimer par ajustements au CMB la constante de Hubble, mais pas le mécanisme de baryogenèse supplémentaire nécessaire à l'asymétrie observée. Ceux-ci pourraient affecter les estimations de l'équilibre thermique.


Le programme Carnegie-Chicago Hubble. VIII. Une détermination indépendante de la

Constante de Hubble basée sur la pointe de la branche de la géante rouge. J'espère que ça aide. https://arxiv.org/pdf/1907.05922.pdf


Cosmologie : constante de Hubble (paramètre de Hubble)

En 1929, Hubble fit une observation assez surprenante qui allait considérablement changer nos perceptions de l'univers. Il a publié cette observation dans un article qu'il a écrit sous le titre "la relation entre la distance et la vitesse perpendiculaire entre les nébuleuses extragalactiques". En termes plus simples, il a étudié le lien entre les distances des corps célestes et les vitesses de leur distance. Les résultats qu'il a trouvés étaient incroyables. Plus une galaxie était éloignée de nous, plus elle s'éloignait rapidement proportionnellement à cela. Jusqu'où, à quelle vitesse… aujourd'hui, nous appelons cet état la constante de Hubble, ou plus précisément le paramètre de Hubble.

Cela aurait dû être une interprétation physique de la situation, car si dans l'univers les corps s'éloignent les uns des autres, cela devrait être de manière aléatoire. Ainsi, une galaxie trop éloignée devrait pouvoir s'approcher de nous, ou celle qui est trop proche devrait pouvoir s'éloigner. Mais ce n'était pas le cas. De toute évidence, à mesure que la distance augmentait, la vitesse de la distance augmentait également. Cela signifie qu'il y a un facteur répulsif entre les deux. Avec cette observation, Hubble a révélé les premiers résultats d'observation du modèle de l'univers en expansion. Aujourd'hui, nous savons que la raison pour laquelle les galaxies lointaines s'éloignent de nous est due à l'expansion de l'univers entre les deux.

Vous pouvez considérer l'expansion de l'univers comme le gonflement d'une bulle. Les points (galaxies) situés sur le ballon s'éloigneront les uns des autres au fur et à mesure que le ballon gonfle.


De nouveaux résultats du télescope spatial Hubble ont approfondi l'un des plus grands mystères de l'astronomie

Les nouveaux résultats du télescope spatial Hubble ont approfondi l'un des plus grands mystères de l'astronomie. En photo : Le Grand Nuage de Magellan avec un gros plan de Hubble. Image de la NASA, de l'ESA, d'Adam Riess et de Palomar Digitized Sky Survey

Les astronomes savent que l'Univers est en expansion et que l'expansion s'accélère. Parfois, vous entendrez des reportages affirmer que l'Univers s'étend "plus vite que nous ne le pensions". Mais ce n'est pas tout à fait ce qui se passe. Le taux d'expansion, appelé constante de Hubble, fait l'objet d'un écart important : sa valeur change en fonction de la façon dont les scientifiques tentent de le mesurer. Les nouveaux résultats du télescope spatial Hubble ont désormais « haussé l'écart au-delà d'un niveau de chance plausible », selon un article qui doit être publié dans l'Astrophysical Journal.

À mesure que l'espace entre les étoiles et les galaxies s'agrandit, les scientifiques ont mis au point plusieurs façons de mesurer le taux d'expansion. Une méthode calcule l'expansion basée sur le rayonnement le plus éloigné que nos expériences peuvent voir, appelé le fond diffus cosmologique. D'autres ont utilisé les informations des supernovae pour calculer le taux. Ces deux méthodes ont mesuré un taux d'expansion d'environ 67,7 kilomètres par seconde par mégaparsec, ce qui signifie que pour 3,26 millions d'années-lumière, l'Univers s'étend encore 67,7 kilomètres par seconde plus rapidement.

Mais les autres mesures ne concordent pas. Les scientifiques utilisant le télescope spatial Hubble ont recalculé la constante de Hubble à l'aide d'une récente mesure de haute précision de la distance à une galaxie satellite voisine appelée le Grand Nuage de Magellan, ainsi que de nouvelles observations de 70 variables céphéides, une sorte d'étoile pulsante. Le taux de pulsation et la luminosité des céphéides sont suffisamment liés pour que leur distance puisse être calculée. Combinés à d'autres améliorations, ils ont calculé l'expansion de l'Univers à 74 kilomètres par seconde par mégaparsec.

Fondamentalement, lorsque les scientifiques regardent plus loin, l'Univers semble s'étendre plus lentement que lorsqu'ils regardent l'Univers local.

La nouvelle mesure rend officiellement l'écart suffisamment important pour qu'il soit peu plausible qu'il provienne de fluctuations statistiques aléatoires dans les données. En plus de cela, d'autres tests semblent montrer que l'écart n'est pas causé par des erreurs dans l'une des mesures. Cela signifie que les expériences pourraient mesurer une caractéristique de l'Univers non expliquée par la théorie la plus acceptée de la cosmologie.

Il est difficile de dire ce qui se passe réellement, mais la prochaine étape est claire. "La poursuite continue de la précision dans la détermination de [la constante de Hubble] est nécessaire pour passer de la découverte d'une différence à un diagnostic de sa source,», écrivent les auteurs de l'étude.

Les scientifiques recherchent déjà de nouvelles façons de mesurer la constante de Hubble, notamment en utilisant des étoiles à neutrons en collision et les ondes gravitationnelles qu'elles produisent dans l'espace lui-même. En calculant la distance jusqu'à la collision en utilisant les ondes gravitationnelles et la vitesse à laquelle les étoiles s'éloignent en utilisant la lumière de la collision, les physiciens auront un autre moyen de calculer la valeur de la constante de Hubble.

Donc, encore une fois, ce n'est pas que l'Univers se développe plus rapidement ou plus lentement que nous ne le pensions auparavant. Au lieu de cela, l'écart dans ces mesures peut finalement révéler un tout nouvel aspect de l'Univers sur lequel les scientifiques sont actuellement dans l'ignorance.

Ce qui est génial avec la SCIENCE, c'est que nous découvrons de nouvelles choses tous les jours !


Les mesures de Hubble confirment qu'il y a quelque chose d'étrange dans l'expansion de l'univers

Les astronomes savent que l'Univers est en expansion et que l'expansion s'accélère. Parfois, vous entendrez des reportages affirmer que l'Univers s'étend « plus vite que nous ne le pensions ». Mais ce n'est pas tout à fait ce qui se passe. Le taux d'expansion, appelé constante de Hubble, fait l'objet d'un écart important : sa valeur change en fonction de la façon dont les scientifiques tentent de le mesurer. Les nouveaux résultats du télescope spatial Hubble ont désormais « haussé l'écart au-delà d'un niveau de chance plausible », selon un article qui doit être publié dans l'Astrophysical Journal.

À mesure que l'espace entre les étoiles et les galaxies s'agrandit, les scientifiques ont mis au point plusieurs façons de mesurer le taux d'expansion. Une méthode calcule l'expansion basée sur le rayonnement le plus éloigné que nos expériences peuvent voir, appelé le fond diffus cosmologique. D'autres ont utilisé les informations des supernovae pour calculer le taux. Ces deux méthodes ont mesuré un taux d'expansion d'environ 67,7 kilomètres par seconde par mégaparsec, ce qui signifie que pour 3,26 millions d'années-lumière, l'Univers s'étend de 67,7 kilomètres par seconde plus rapidement.

Mais d'autres mesures ne concordent pas. Les scientifiques utilisant le télescope spatial Hubble ont recalculé la constante de Hubble à l'aide d'une récente mesure de haute précision de la distance à une galaxie satellite voisine appelée le Grand Nuage de Magellan, ainsi que de nouvelles observations de 70 variables céphéides, une sorte d'étoile pulsante. Le taux de pulsation et la luminosité des céphéides sont suffisamment liés pour que leur distance puisse être calculée. Combinés à d'autres améliorations, ils ont calculé l'expansion de l'Univers à 74 kilomètres par seconde par mégaparsec.

Fondamentalement, lorsque les scientifiques utilisent des données plus lointaines, l'univers entier semble s'étendre plus lentement. Lorsqu'ils utilisent des données de l'univers plus local, l'Univers entier s'étend plus rapidement. Les valeurs ne concordent pas lorsqu'on tente d'expliquer le même phénomène.


La "constante" de Hubble

Depuis le début des années 1900, nous avons transformé notre vision de l'univers. Nous avons appris que notre galaxie n'est qu'une galaxie parmi tant d'autres, que les galaxies s'éloignent les unes des autres et que l'expansion de l'univers s'accélère. Ces découvertes dépendaient d'une découverte importante faite par l'astronome américaine Henrietta Leavitt.

En 1908, Leavitt a publié une découverte qu'elle a faite à propos d'un certain type d'étoile, appelée variables céphéides. Les céphéides s'éclaircissent et s'assombrissent périodiquement, et Leavitt a remarqué une relation entre la luminosité de l'étoile et la rapidité avec laquelle elle a fluctué. Cela a rendu les calculs de distance possibles parce que les astronomes pouvaient comparer la luminosité réelle et connue de l'étoile à la luminosité qu'elle apparaît depuis la Terre.

À l'aide de ces informations, l'astronome américain Edwin Hubble a déterminé la distance de plusieurs des taches maculées du ciel qui étaient auparavant considérées comme des nébuleuses - de grands nuages ​​​​de gaz et de poussière trouvés entre les étoiles. Il en a mesuré certaines bien au-delà du bord de notre galaxie, ce qui a prouvé qu'il ne s'agissait pas du tout de nébuleuses mais de galaxies entières.

Le désaccord entre les prévisions et les mesures des constantes de Hubble suggère des failles dans nos techniques de mesure ou dans notre modèle de l'univers. Le télescope spatial romain nous aidera à déterminer lequel.

Crédit : Goddard Space Flight Center de la NASA

Hubble a partagé cette découverte en 1924, suivie d'une annonce tout aussi choquante en 1929 - à quelques exceptions près, les galaxies s'éloignent les unes des autres. Ce résultat a été prédit par le mathématicien et astronome belge Georges Lemaître en 1927, mais il n'y avait aucune preuve observationnelle à l'époque qu'il était correct.

Alors que presque tout le monde croyait auparavant que l'univers était statique, Hubble a montré qu'il était en fait en expansion en découvrant un lien entre la distance d'une galaxie et le décalage vers le rouge. La lumière est rougie lorsque la source s'éloigne de l'observateur, et le degré de rougissement (ou décalage vers le rouge) nous indique à quelle vitesse elle recule. Il s'avère que la "constante" de Hubble n'est pas constante après tout - elle change avec le temps.

Des mesures utilisant diverses techniques révèlent que la constante de Hubble est d'environ 70 à 76 kilomètres par seconde pour chaque mégaparsec de distance (Mpc, environ 3,26 millions d'années-lumière). Ainsi, un objet distant d'un Mpc s'éloignera de nous à 70-76 km/s, un objet distant de deux Mpc s'éloignera de 140-152 km/s, et ainsi de suite.

Les astronomes s'attendaient à ce que la plage de valeurs se rétrécisse à mesure qu'ils affinent leurs mesures. Mais ce qui s'est passé à la place, c'est que chaque technique se concentrait sur une valeur légèrement différente.

Par exemple, les meilleurs résultats actuels utilisant les Céphéides et le télescope spatial Hubble proviennent de l'équipe SH0ES, qui a mesuré une valeur d'environ 73,5 km/sec/Mpc. Cependant, des mesures récentes basées sur des étoiles géantes rouges indiquent une valeur de 70-72 km/sec/Mpc.

Une chose que les mesures ont en commun est qu'elles sont toutes significativement plus élevées que les prédictions des modèles basés sur la façon dont l'univers est apparu il y a plus de 13 milliards d'années. Les mesures de l'univers primitif prédisent une valeur constante de Hubble d'environ 67,4 km/sec/Mpc.

"Nous ne savons pas si l'écart que nous observons entre les mesures locales et les données de l'univers primitif est dû à des incertitudes actuellement inconnues ou sous-estimées, ou s'il signale une nouvelle physique au-delà de notre modèle standard", a déclaré Wendy Freedman à l'Université. de Chicago. « Dans tous les cas, la tension se résout, c'est important pour la cosmologie !

Les valeurs de constante de Hubble prédites proviennent du modèle standard de cosmologie et de mesures du satellite Planck de l'Agence spatiale européenne. Le modèle est bien établi à partir de décennies de recherche et sa prédiction constante de Hubble est soutenue par les résultats de Planck, mais les mesures indiquent que l'univers se développe plus rapidement que prévu. Ce conflit est devenu de plus en plus perplexe ces dernières années.

"L'écart constant de Hubble s'est accru, augmentant la possibilité que nous manquions quelque chose d'intéressant dans notre compréhension de l'univers", a déclaré Adam Riess, chef de l'équipe SH0ES à l'Université Johns Hopkins et au Space Telescope Science Institute de Baltimore.

Approfondissant encore le mystère, les données de l'équipe SH0ES réduisent la possibilité que l'écart ne soit qu'un coup de chance à 1 sur 100 000.

Donc, soit quelque chose ne va pas avec nos différentes techniques de mesure, soit quelque chose ne va pas avec notre modèle théorique de l'évolution de l'univers. Peut-être qu'ils ont tous les deux besoin d'un petit ajustement.


La tension sur Hubble Constant continue

Par : Monica Young 24 juillet 2019 7

Recevez des articles comme celui-ci dans votre boîte de réception

Une nouvelle mesure alimente un débat en cours sur la vitesse à laquelle l'univers d'aujourd'hui s'étend.

La reproductibilité est la clé de la science. Un « eurêka ! » pourrait être la première étape d'un changement de paradigme - ou ce pourrait être un coup de chance. Ce sont les deuxième, troisième et centième mesures qui mettent les théories à l'épreuve.

C'est pourquoi les mesures récentes de l'expansion de l'univers ont suscité l'intérêt. Même si les astronomes ont appliqué plusieurs méthodes reposant sur une physique complètement différente, ils obtiennent toujours des résultats similaires : l'univers d'aujourd'hui semble s'étendre plus rapidement que ce qui est attendu d'après les mesures de l'univers primitif. Des erreurs systématiques peuvent-elles expliquer cet écart ? Ou faut-il une nouvelle physique ?

Maintenant, Wendy Freedman (Université de Chicago) et ses collègues ont publié une nouvelle mesure « à mi-chemin » sur la préimpression d'astronomie arXiv, ajoutant une tournure au débat en cours. L'étude paraîtra dans le Journal d'astrophysique.

La valeur du taux d'expansion actuel de l'univers, également appelée constante de Hubble, semble dépendre de la façon dont elle est mesurée. Les observations de l'univers primitif donnent des valeurs plus faibles (gris) que celles mesurées à l'aide d'objets proches (bleu). Les études sur les étoiles géantes rouges donnent une valeur de la constante de Hubble qui se trouve juste au milieu (rouge).
Freedman et al. / Journal d'Astrophysique

Constante de Hubble : Proche vs. Loin

Le fond diffus cosmologique est la plus ancienne lumière de l'univers et imprègne le cosmos. Cette carte du ciel issue de l'analyse de l'équipe de Planck montre les fluctuations de température du CMB.
Collaboration Planck

Les astronomes peuvent estimer le taux d'expansion actuel de deux manières, également connu sous le nom de Constante de Hubble (H0). La première consiste à remonter dans le temps et dans l'espace.

Des mesures extrêmement précises du fond diffus cosmologique (CMB), la « rémanence » du Big Bang, offrent une fenêtre sur le jeune univers. De minuscules fluctuations de température dans ce rayonnement de fond sont corrélées aux variations de densité dans un cosmos vieux de seulement 370 000 ans, qui à leur tour sont liées à la structure des galaxies et des amas de galaxies dans l'univers aujourd'hui, environ 13,8 milliards d'années plus tard. Les cosmologistes peuvent reproduire jusqu'au dernier mouvement de ces variations de température à l'aide du modèle dit « Lambda CDM », un scénario où la matière noire et l'énergie noire gouvernent l'univers.

La force des variations de température (verticales) est tracée par rapport à leurs tailles angulaires (horizontales, approximatives). La ligne rouge est le modèle cosmologique standard, qui inclut la matière noire et l'énergie noire, les points bleus sont des données de Planck.
Collaboration Planck

Les mesures de constantes de Hubble les plus récentes dans cette veine proviennent du satellite Planck : 67,4±0,5 km s -1 Mpc -1 . (Oui, ce sont des unités étranges : voici pourquoi.) D'autres méthodes indépendantes basées sur les propriétés de l'univers primitif aboutissent à un nombre similaire.

Les astronomes peuvent également estimer le taux d'expansion dans l'univers moderne, en mesurant la vitesse à laquelle les galaxies semblent s'éloigner de la nôtre. L'astuce consiste à trouver les distances correctes des galaxies. C'est là que bougies standards entrez : les astronomes peuvent mesurer la luminosité de ces objets et les comparer à leur luminosité connue pour calculer leur distance.

Les supernovae de type Ia, comme le montre ici une impression d'artiste, est un type de bougie standard qui permet aux astronomes de mesurer la vitesse à laquelle l'univers s'étend actuellement.
ESO / M. Kornmesser

C'est là que cela commence à devenir intéressant : les mesures utilisant des objets relativement proches, tels que les supernovae de type Ia, les étoiles variables céphéides et d'autres bougies standard, donnent une constante de Hubble plus grande, avec des valeurs comprises entre 73 et 76 km s -1 Mpc -1 . En d'autres termes, l'univers semble s'étendre plus rapidement que prévu sur la base des observations de l'univers primitif.

Et maintenant, le twist : une nouvelle étude utilisant un nouveau type de bougie standard trouve une constante de Hubble intermédiaire : 69,8±1,9 km s -1 Mpc -1 . Le résultat, pris isolément, concorde à la fois avec les mesures du fond diffus cosmologique et avec les bougies standard voisines.

Bougies standards géantes rouges

La bougie standard que Freedman et ses collègues utilisent sont des étoiles géantes rouges en particulier, des étoiles géantes rouges qui viennent de passer de la combustion de l'hydrogène à l'allumage de l'hélium.

« Considérez cela comme un balayage d'une foule pour identifier la personne la plus grande – c'est comme la géante rouge la plus brillante qui subit un flash d'hélium », explique Christopher Burns (Observatoires de la Carnegie Institution for Science). « Si vous viviez dans un monde où vous saviez que la personne la plus grande dans n'importe quelle pièce aurait exactement la même hauteur – car nous supposons que la luminosité maximale de la géante rouge la plus brillante est la même – vous pourriez utiliser cette information pour vous dire à quelle distance le la personne la plus grande est de vous dans une foule donnée.

Les astronomes trouvent ces étoiles dans les confins des galaxies, ce qui signifie qu'il n'y a pas de poussière intermédiaire pour affecter les observations. Ainsi, les étoiles géantes rouges offrent un moyen de mesurer la distance sans certains des problèmes systématiques qui affligent les étoiles céphéides et autres bougies standard.

Les astronomes ont identifié des étoiles géantes rouges dans les halos des galaxies pour mesurer leurs distances, ce qui leur a permis de déduire le taux d'expansion actuel de l'univers.
NASA / ESA / W. Freedman (Univ. de Chicago) / ESO / Digitized Sky Survey

Instable

Néanmoins, comme le soulignent Freedman et ses collègues dans leur article, l'écart proche persiste. Même si leur étude donne une valeur inférieure de la constante de Hubble, elle reste élevée par rapport aux études de l'univers primitif. Si, disons, 67,4 étaient vraiment la valeur correcte de la constante de Hubble, alors statistiquement parlant, vous vous attendriez à ce qu'au moins quelques mesures soient inférieures.

La dernière décennie a vu des dizaines de mesures de la constante de Hubble, en utilisant des sources proches (dans la case intitulée « Tard ») et lointaines (dans la case intitulée « Tarly »). Il semble y avoir un écart selon que les mesures sont basées sur l'univers primitif ou l'univers actuel, comme on le voit dans l'encadré intitulé « Tôt vs. Tard », bien que le degré d'écart dépende des sources utilisées. Les mesures récentes de Freedman et de ses collègues sont étiquetées « CCHP ».
Vivien Bonvin / Equipe HOLiCOW

Adam Riess (Johns Hopkins University), qui a mené plusieurs études récentes sur les étoiles variables céphéides, souligne que beaucoup dépend de la façon dont les étoiles géantes rouges sont calibrées. Freedman et ses collègues ancrent leurs observations dans le Grand Nuage de Magellan, où résident à la fois les variables Céphéides et les étoiles géantes rouges. Ici, contrairement aux halos de galaxies, les astronomes doivent tenir compte de la poussière. Riess pense que la grande quantité de poussière estimée par l'équipe de Freedman peut expliquer pourquoi leur mesure de la constante de Hubble est si faible.

Au final, les mesures actuelles ne trancheront pas le débat. Freedman et ses collègues soutiennent que pour résoudre la tension, les astronomes doivent mesurer localement la constante de Hubble avec une précision meilleure que 1 %. C'est hors de portée pour le moment, mais dans quelques années seulement, la mission Gaia de l'Agence spatiale européenne fournira des distances fiables et extrêmement précises à un tas d'étoiles géantes rouges, permettant un étalonnage bien meilleur que ce qui est possible actuellement. Peut-être que nous résoudrons alors le débat constant de Hubble une fois pour toutes.

Lectures complémentaires: Retrouvez l'histoire complète sur la controverse cosmique entourant la constante de Hubble dans le numéro de juin 2019 de Sky & Télescope.


Nouvelle mesure constante de Hubble à l'aide de lentilles cosmiques

Images du télescope spatial Hubble de quasars lointains captées par des galaxies de premier plan qui ont été utilisées pour mesurer la constante de Hubble. (Image : S.H. Suyu / TUM/MPA K.C. Wong / Univ. Tokyo NASA ESA) Image : S. H. Suyu / TUM / MPA, K. C. Wong / Univ. Tokyo NASA ESA

Une nouvelle mesure du taux d'expansion de l'univers renforce l'appel à une nouvelle physique

À l'aide de lentilles cosmiques, une équipe internationale d'astrophysiciens a déterminé le taux d'expansion de l'univers, complètement indépendant de toute méthode précédente. Les résultats des chercheurs renforcent encore un écart troublant entre le taux d'expansion calculé à partir des mesures de l'univers local et le taux tel que prédit à partir du rayonnement de fond de l'univers primitif. La nouvelle étude ajoute des preuves à l'idée que de nouvelles théories peuvent être nécessaires pour expliquer l'astrophysique sous-jacente.

Connaître la valeur précise de la constante de Hubble, une mesure de la vitesse d'expansion de l'univers, est important pour déterminer l'âge, la taille et le destin de notre cosmos. Démêler ce mystère est l'un des plus grands défis de l'astrophysique.

Une équipe internationale, dirigée par Sherry Suyu, professeur à l'Université technique de Munich (TUM), chef de groupe à l'Institut Max Planck d'astrophysique (MPA) et chercheur invité de l'Institut d'astronomie et d'astrophysique Academia Sinica à Taipei, Taiwan, a maintenant mesuré le taux d'expansion de l'univers complètement indépendant des méthodes précédentes.

Cette dernière valeur de la constante de Hubble représente la mesure la plus précise à ce jour utilisant la lentille gravitationnelle, où la gravité d'une galaxie au premier plan agit comme une lentille grossissante géante, amplifiant et déformant la lumière des objets d'arrière-plan. Grâce à l'effet de lentille, plusieurs images du même objet d'arrière-plan apparaissent autour de la galaxie de premier plan.

Selon la position de l'objet derrière la galaxie de premier plan, la lumière des différentes images doit parcourir des distances différentes pour atteindre l'observateur. Les fluctuations de luminosité de l'objet d'arrière-plan arrivent donc à des moments différents pour chacune des multiples images. Le délai peut être mesuré dans les systèmes de quasars à lentilles, où les quasars sont des lampadaires cosmiques extrêmement éloignés produits par des trous noirs actifs.

L'équipe d'astrophysiciens est surnommée H0LiCOW (H0 Lenses in COSMOGRAIL&rsquos Wellspring). COSMOGRAIL est l'acronyme de Cosmological Monitoring of Gravitational Lenses, un grand projet international dont l'objectif est de surveiller les lentilles gravitationnelles. « Wellspring » fait référence à l'abondante offre de systèmes de lentilles quasars.

Pour leur dernière mesure, l'équipe a utilisé de nouvelles données du télescope spatial Hubble ainsi que du télescope ESO/MPG de 2,2 m de La Silla, du Very Large Telescope de l'ESO, de l'imagerie à grand champ du Dark Energy Survey, tous trois au Chili, et l'imagerie optique adaptative haute résolution de l'observatoire Keck, à Hawaï.

H0LiCOW et d'autres mesures récentes suggèrent un taux d'expansion plus rapide dans l'univers local que prévu sur la base des observations du satellite de l'Agence spatiale européenne Planck sur le comportement du cosmos il y a plus de 13 milliards d'années.

Les chercheurs ont calculé une valeur pour la constante de Hubble de 73 kilomètres par seconde par mégaparsec (avec une incertitude de 2,4 pour cent). La mesure de l'équipe est proche de la valeur de 74 calculée par l'équipe SH0ES (Supernova H0 pour l'Equation d'Etat). La mesure SH0ES est basée sur la mesure des distances aux galaxies proches et éloignées de la Terre en utilisant des étoiles variables céphéides et des supernovas comme bâtons de mesure pour les galaxies.

Les valeurs SH0ES et H0LiCOW diffèrent significativement du nombre de Planck de 67, renforçant la tension entre les mesures constantes de Hubble de l'univers local et la valeur prédite basée sur les observations de l'univers primitif.

"Alors que nos premiers résultats faisaient déjà allusion à cette valeur élevée pour la constante de Hubble, nous sommes maintenant certains qu'il existe en effet une différence systématique entre les valeurs aux temps cosmiques précoces et tardifs", explique Suyu.

Stefan Taubenberger, membre de l'équipe de la MPA ajoute : "Notre valeur H0LiCOW est nettement supérieure à la valeur de Planck - scientifiquement parlant, avec une signification de plus de 3 sigma. Combiné avec la mesure SH0ES, la signification augmente encore plus."

Le fossé entre les deux valeurs a des implications importantes pour la compréhension des paramètres physiques sous-jacents de l'univers et peut nécessiter une nouvelle physique pour tenir compte de l'inadéquation. "Si ces résultats ne concordent pas, cela peut indiquer que nous ne comprenons pas encore pleinement comment la matière et l'énergie ont évolué au fil du temps, en particulier aux premiers temps", a déclaré Suyu.

À partir de 2012, l'équipe H0LiCOW dispose désormais d'images Hubble et d'informations sur les délais pour 10 quasars à lentilles et galaxies à lentilles intermédiaires. L'équipe continuera de rechercher et de suivre de nouveaux quasars à lentille en collaboration avec des chercheurs de nouveaux programmes. L'objectif de l'équipe est d'observer 30 systèmes de quasars à lentilles supplémentaires pour réduire leur incertitude pour la mesure de la constante de Hubble à un pour cent.

Résultats présentés lors de la 235e réunion de l'American Astronomical Society à Honolulu, Hawaï, le 8 janvier 2020


De nouvelles mesures de distance renforcent le défi du modèle de base de l'univers

Crédit : Sophia Dagnello, NRAO/AUI/NSF

Un nouvel ensemble de mesures de distance de précision effectuées avec une collection internationale de radiotélescopes a considérablement augmenté la probabilité que les théoriciens aient besoin de réviser le "modèle standard" qui décrit la nature fondamentale de l'Univers.

Les nouvelles mesures de distance ont permis aux astronomes d'affiner leur calcul de la constante de Hubble, le taux d'expansion de l'Univers, une valeur importante pour tester le modèle théorique décrivant la composition et l'évolution de l'Univers. Le problème est que les nouvelles mesures exacerbent un écart entre les valeurs précédemment mesurées de la constante de Hubble et la valeur prédite par le modèle lorsqu'elles sont appliquées aux mesures du fond diffus cosmologique effectuées par le satellite Planck.

"Nous constatons que les galaxies sont plus proches que prévu par le modèle standard de la cosmologie, corroborant un problème identifié dans d'autres types de mesures de distance. Il y a eu un débat pour savoir si ce problème réside dans le modèle lui-même ou dans les mesures utilisées pour le tester. Notre le travail utilise une technique de mesure de distance complètement indépendante de toutes les autres, et nous renforçons la disparité entre les valeurs mesurées et prédites. Il est probable que le modèle cosmologique de base impliqué dans les prédictions soit le problème », a déclaré James Braatz, de l'Observatoire national de radioastronomie. (NRAO).

Braatz dirige le Megamaser Cosmology Project, un effort international pour mesurer la constante de Hubble en trouvant des galaxies avec des propriétés spécifiques qui se prêtent à donner des distances géométriques précises. Le projet a utilisé le Very Long Baseline Array (VLBA) de la National Science Foundation, le Karl G. Jansky Very Large Array (VLA) et le Robert C. Byrd Green Bank Telescope (GBT), ainsi que le télescope Effelsberg en Allemagne. L'équipe a rendu compte de ses derniers résultats dans le Lettres de revues astrophysiques.

Edwin Hubble, qui a donné son nom au télescope spatial Hubble en orbite, a calculé pour la première fois le taux d'expansion de l'univers (la constante de Hubble) en 1929 en mesurant les distances aux galaxies et leurs vitesses de récession. Plus une galaxie est éloignée, plus sa vitesse de recul de la Terre est grande. Aujourd'hui, la constante de Hubble reste une propriété fondamentale de la cosmologie observationnelle et l'objet de nombreuses études modernes.

La mesure des vitesses de récession des galaxies est relativement simple. Déterminer les distances cosmiques, cependant, a été une tâche difficile pour les astronomes. Pour les objets de notre propre galaxie de la Voie lactée, les astronomes peuvent obtenir des distances en mesurant le décalage apparent de la position de l'objet vu des côtés opposés de l'orbite terrestre autour du Soleil, un effet appelé parallaxe. La première mesure de ce type de la distance de parallaxe d'une étoile date de 1838.

Au-delà de notre propre Galaxie, les parallaxes sont trop petites pour être mesurées, les astronomes se sont donc appuyés sur des objets appelés « bougies standard », ainsi nommés parce que leur luminosité intrinsèque est présumée connue. La distance à un objet de luminosité connue peut être calculée en fonction de la luminosité de l'objet depuis la Terre. Ces bougies standard comprennent une classe d'étoiles appelées variables céphéides et un type spécifique d'explosion stellaire appelé supernova de type Ia.

Une autre méthode d'estimation du taux d'expansion consiste à observer des quasars distants dont la lumière est déformée par l'effet gravitationnel d'une galaxie de premier plan en plusieurs images. Lorsque le quasar varie en luminosité, le changement apparaît dans les différentes images à des moments différents. La mesure de cette différence de temps, ainsi que les calculs de la géométrie de la courbure de la lumière, donnent une estimation du taux d'expansion.

Determinations of the Hubble Constant based on the standard candles and the gravitationally-lensed quasars have produced figures of 73-74 kilometers per second (the speed) per megaparsec (distance in units favored by astronomers).

However, predictions of the Hubble Constant from the standard cosmological model when applied to measurements of the cosmic microwave background (CMB)—the leftover radiation from the Big Bang—produce a value of 67.4, a significant and troubling difference. This difference, which astronomers say is beyond the experimental errors in the observations, has serious implications for the standard model.

The model is called Lambda Cold Dark Matter, or Lambda CDM, where "Lambda" refers to Einstein's cosmological constant and is a representation of dark energy. The model divides the composition of the Universe mainly between ordinary matter, dark matter, and dark energy, and describes how the Universe has evolved since the Big Bang.

The Megamaser Cosmology Project focuses on galaxies with disks of water-bearing molecular gas orbiting supermassive black holes at the galaxies' centers. If the orbiting disk is seen nearly edge-on from Earth, bright spots of radio emission, called masers—radio analogs to visible-light lasers—can be used to determine both the physical size of the disk and its angular extent, and therefore, through geometry, its distance. The project's team uses the worldwide collection of radio telescopes to make the precision measurements required for this technique.

In their latest work, the team refined their distance measurements to four galaxies, at distances ranging from 168 million light-years to 431 million light-years. Combined with previous distance measurements of two other galaxies, their calculations produced a value for the Hubble Constant of 73.9 kilometers per second per megaparsec.

"Testing the standard model of cosmology is a really challenging problem that requires the best-ever measurements of the Hubble Constant. The discrepancy between the predicted and measured values of the Hubble Constant points to one of the most fundamental problems in all of physics, so we would like to have multiple, independent measurements that corroborate the problem and test the model. Our method is geometric, and completely independent of all others, and it reinforces the discrepancy," said Dom Pesce, a researcher at the Center for Astrophysics | Harvard and Smithsonian, and lead author on the latest paper.

"The maser method of measuring the expansion rate of the universe is elegant, and, unlike the others, based on geometry. By measuring extremely precise positions and dynamics of maser spots in the accretion disk surrounding a distant black hole, we can determine the distance to the host galaxies and then the expansion rate. Our result from this unique technique strengthens the case for a key problem in observational cosmology." said Mark Reid of the Center for Astrophysics | Harvard and Smithsonian, and a member of the Megamaser Cosmology Project team.

"Our measurement of the Hubble Constant is very close to other recent measurements, and statistically very different from the predictions based on the CMB and the standard cosmological model. All indications are that the standard model needs revision," said Braatz.

Astronomers have various ways to adjust the model to resolve the discrepancy. Some of these include changing presumptions about the nature of dark energy, moving away from Einstein's cosmological constant. Others look at fundamental changes in particle physics, such as changing the numbers or types of neutrinos or the possibilities of interactions among them. There are other possibilities, even more exotic, and at the moment scientists have no clear evidence for discriminating among them.

"This is a classic case of the interplay between observation and theory. The Lambda CDM model has worked quite well for years, but now observations clearly are pointing to a problem that needs to be solved, and it appears the problem lies with the model," Pesce said.


Contact  

LOS ALAMOS, N.M., Dec. 21, 2020—A combination of astrophysical measurements has allowed researchers to put new constraints on the radius of a typical neutron star and provide a novel calculation of the Hubble constant that indicates the rate at which the universe is expanding.   

“We studied signals that came from various sources, for example recently observed mergers of neutron stars,” said Ingo Tews, a theorist in Nuclear and Particle Physics, Astrophysics and Cosmology group at Los Alamos National Laboratory, who worked with an international collaboration of researchers on the analysis to appear in the journal La science on December 18. “We jointly analyzed gravitational-wave signals and electromagnetic emissions from the mergers, and combined them with previous mass measurements of pulsars or recent results from NASA’s Neutron Star Interior Composition Explorer. We find that the radius of a typical neutron star is about 11.75 kilometers and the Hubble constant is approximately 66.2 kilometers per second per megaparsec.”

Combining signals to gain insight into distant astrophysical phenomena is known in the field as multi-messenger astronomy. In this case, the researchers’ multi-messenger analysis allowed them to restrict the uncertainty of their estimate of neutron star radii to within 800 meters.

Their novel approach to measuring the Hubble constant contributes to a debate that has arisen from other, competing determinations of the universe’s expansion. Measurements based on observations of exploding stars known as supernovae are currently at odds with those that come from looking at the Cosmic Microwave Background (CMB), which is essentially the left over energy from the Big Bang. The uncertainties in the new multimessenger Hubble calculation are too large to definitively resolve the disagreement, but the measurement is slightly more supportive of the CMB approach.

Tews’ primary scientific role in the study was to provide the input from nuclear theory calculations that are the starting point of the analysis. His seven collaborators on the paper comprise an international team of scientists from Germany, the Netherlands, Sweden, France, and the United States.

Financement: LANL Laboratory Directed Research and Development, DOE Office of Science, Office of Nuclear Physics, and the NUCLEI SciDAC project

Publication: Tim Dietrich, Michael W. Coughlin, Peter T. H. Pang, Mattia Bulla,


New Measurement Of Hubble Constant Adds To Cosmic Mystery


Images made with the W.M. Keck Observatory in Hawaii show how light from three distant galaxies is distorted into multiple images by the gravity of an object in the foreground. UC Davis astronomers have made a new estimate of the Hubble Constant, which describes the expansion of the universe, by observing these distorted images and how long light takes to travel through these gravitational lenses. The results are consistent with some other measurements of the Hubble constant, but not with others based on the cosmic microwave background. CREDIT Chris Fassnacht, UC Davis

New measurements of the rate of expansion of the universe, led by astronomers at the University of California, Davis, add to a growing mystery: Estimates of a fundamental constant made with different methods keep giving different results.

"There's a lot of excitement, a lot of mystification and from my point of view it's a lot of fun," said Chris Fassnacht, professor of physics at UC Davis and a member of the international SHARP/H0LICOW collaboration, which made the measurement using the W.M. Keck telescopes in Hawaii.

A paper about the work is published by the Monthly Notices of the Royal Astronomical Society.

The Hubble constant describes the expansion of the universe, expressed in kilometers per second per megaparsec. It allows astronomers to figure out the size and age of the universe and the distances between objects.

Graduate student Geoff Chen, Fassnacht and colleagues looked at light from extremely distant galaxies that is distorted and split into multiple images by the lensing effect of galaxies (and their associated dark matter) between the source and Earth. By measuring the time delay for light to make its way by different routes through the foreground lens, the team could estimate the Hubble constant.

Using adaptive optics technology on the W.M. Keck telescopes in Hawaii, they arrived at an estimate of 76.8 kilometers per second per megaparsec. As a parsec is a bit over 30 trillion kilometers and a megaparsec is a million parsecs, that is an excruciatingly precise measurement. In 2017, the H0LICOW team published an estimate of 71.9, using the same method and data from the Hubble Space Telescope.

The new SHARP/H0LICOW estimates are comparable to that by a team led by Adam Reiss of Johns Hopkins University, 74.03, using measurements of a set of variable stars called the Cepheids. But it's quite a lot different from estimates of the Hubble constant from an entirely different technique based on the cosmic microwave background. That method, based on the afterglow of the Big Bang, gives a Hubble constant of 67.4, assuming the standard cosmological model of the universe is correct.

An estimate by Wendy Freedman and colleagues at the University of Chicago comes close to bridging the gap, with a Hubble constant of 69.8 based on the luminosity of distant red giant stars and supernovae.

A difference of 5 or 6 kilometers per second over a distance of over 30 million trillion kilometers might not seem like a lot, but it's posing a challenge to astronomers. It might provide a hint to a possible new physics beyond the current understanding of our universe.

On the other hand, the discrepancy could be due to some unknown bias in the methods. Some scientists had expected that the differences would disappear as estimates got better, but the difference between the Hubble constant measured from distant objects and that derived from the cosmic microwave background seems to be getting more and more robust.

"More and more scientists believe there's a real tension here," Chen said. "If we try to come up with a theory, it has to explain everything at once."


Voir la vidéo: Why Are Things Creepy? (Septembre 2021).