Horloges fossiles : comment les galaxies reliques mesurent la fuite de l'Univers ✛
Au cœur d'une vieille ville se dresse une tour avec une horloge que l'on n'a jamais remise à l'heure depuis sa construction. En mesurant son retard, on peut calculer à quel point le temps s'est étiré depuis. Dans l'espace, le rôle de ces tours est joué par les galaxies reliques – des amas d'étoiles denses qui se sont formés au cours des premiers milliards d'années et qui, depuis, n'ont fusionné avec aucun voisin ni engendré de nouvelles étoiles. Leur lumière est une empreinte de l'âge, figée dans le spectre.
Les astronomes ont sélectionné 189 objets de ce type et ont mesuré pour chacun l'indice spectral Dn4000 – une grandeur qui évolue à mesure que les étoiles vieillissent : elle est plus faible pour les étoiles jeunes, plus élevée pour les étoiles âgées. En suivant la variation de cet indice d'une galaxie à l'autre à différentes distances, on peut calculer la vitesse à laquelle l'Univers s'étendait au moment où la lumière a quitté ces systèmes. C'est la méthode des chronomètres cosmiques : au lieu de supposer la composition de l'Univers, on observe le « tic-tac » des étoiles qui vieillissent.
Le résultat final pour la vitesse d'expansion : 85±53 kilomètres par seconde par mégaparsec. L'incertitude statistique est encore grande – en raison du petit nombre de galaxies appropriées. Mais l'erreur systématique ne s'élève qu'à 13 % – l'une des plus faibles parmi toutes les mesures effectuées avec des chronomètres cosmiques. Auparavant, on ne savait pas si l'on pouvait se fier à ces « fossiles » ; désormais, on voit que leur simplicité est un atout.
Avec l'arrivée des relevés de nouvelle génération, comme Euclid et Rubin, le nombre de galaxies reliques confirmées augmentera de plusieurs ordres de grandeur. Il deviendra alors possible de vérifier de manière indépendante le grand mystère de la cosmologie – la divergence entre les différentes méthodes de mesure de la vitesse d'expansion. Les horloges que l'on n'a pas remises à l'heure depuis 10 milliards d'années montreront enfin l'heure exacte de l'Univers.
Les galaxies reliques sont si compactes que, pour une masse comparable à celle de la Voie lactée, leur rayon n'est que d'environ 2 kiloparsecs — environ 10 fois plus petit. Elles ont survécu plus de 10 milliards d'années sans fusionner avec d'autres galaxies ni former de nouvelles étoiles.