Une échelle sans barreau supérieur : les céphéides contre les supernovae ✛
La communauté cosmologique vit depuis plusieurs années dans un état de guerre civile sourde. Deux camps mesurent la vitesse d'expansion de l'Univers et obtiennent des réponses différentes. Planck, scrutant le rayonnement fossile, dit : 67,4 km/s/Mpc. SH0ES, grimpant l'échelle des distances des céphéides aux supernovae, insiste : 73,2. L'écart de 5,8 sigmas ne ressemble pas à un hasard. Et voici qu'arrive un travail qui fait un pas audacieux : il jette les supernovae par-dessus bord et demande ce que disent les seules céphéides.
Une échelle des distances sans barreau supérieur, c'est ainsi qu'on peut appeler cette expérience. D'habitude, les céphéides ne servent qu'à calibrer les supernovae de type Ia, qui emportent la mesure dans le cosmos lointain. Ici, les auteurs se sont arrêtés au deuxième barreau : ils ont pris 35 galaxies à céphéides, mesuré leurs décalages vers le rouge et construit un modèle bayésien qui relie directement la luminosité apparente des étoiles pulsantes à l'expansion de l'espace. Les vitesses particulières, c'est-à-dire les mouvements propres des galaxies à travers l'espace, ont été prises en compte grâce à la reconstruction Manticore-Local, qui fournit tout un ensemble de champs de vitesses possibles. La sélection des galaxies n'a pas non plus été laissée au hasard : ils l'ont modélisée comme un seuil progressif sur la luminosité des supernovae.
Le résultat est révélateur. Si l'on suppose que l'échantillon a été sélectionné selon la luminosité des supernovae, la constante de Hubble vaut 71,1 ± 1,4 km/s/Mpc. Si c'est selon le décalage vers le rouge, elle vaut 72,5 ± 1,4. Les deux valeurs sont inférieures à celle de SH0ES, mais restent supérieures à celle de Planck. La tension n'a pas disparu : l'écart avec les données de Planck est de 2,8 sigmas. En revanche, l'incertitude par rapport à l'analyse précédente des mêmes données a diminué de 41 pour cent, et l'utilisation de Manticore-Local au lieu de l'ancienne reconstruction a réduit l'erreur de 18 pour cent supplémentaires. L'échelle sans barreau supérieur a tenu le coup.
Qu'est-ce que cela signifie pour l'avenir ? La méthode peut être étendue à d'autres indicateurs de distance : le sommet de la branche des géantes rouges, les étoiles de type Mira, les fluctuations de luminosité de surface. Avec l'augmentation du nombre de galaxies à céphéides et l'amélioration des modèles de vitesses, la précision pourrait atteindre un pour cent. L'observatoire proposé Habitable Worlds Observatory pourrait ajouter 24 nouvelles galaxies à céphéides, ce qui suffirait pour atteindre la précision visée. En attendant, les reconstructions bayésiennes du champ de vitesses local, comme BORG, réduiront les erreurs systématiques dues aux mouvements particuliers. L'échelle privée de son barreau supérieur s'est avérée non pas déficiente, mais simplement différente, et cette autre échelle mène à de nouvelles questions sur l'énergie sombre et la physique de l'Univers primordial.
Les céphéides pulsent avec des périodes allant de quelques jours à plusieurs mois, et la période permet de connaître leur luminosité intrinsèque. Cette loi a été découverte par Henrietta Leavitt en 1912, en travaillant sur les plaques photographiques des Nuages de Magellan.
Dans le roman « Contact » de Carl Sagan, l'héroïne utilise les céphéides pour calibrer les distances lorsqu'elle cherche un signal venu de l'espace. Ici, les céphéides servent aussi à la calibration, mais pour tester la cosmologie elle-même.