La constante de Hubble (H₀) est le taux actuel d'expansion de l'univers, exprimé en vitesse par unité de distance (généralement en kilomètres par seconde par mégaparsec). C'est un paramètre fondamental en cosmologie, qui détermine l'échelle, l'âge et le destin de l'univers. Cette constante doit son nom à Edwin Hubble, qui a observé en 1929 que les galaxies s'éloignent de nous à des vitesses proportionnelles à leur distance, bien que la valeur moderne soit dérivée de diverses sondes cosmiques.
Histoire
Edwin Hubble a mesuré pour la première fois le taux d'expansion en 1929, mais la valeur moderne a été affinée au fil des décennies. La tension actuelle entre les mesures du fond diffus cosmologique (satellite Planck) et celles de l'échelle des distances locales (par exemple, l'équipe SH0ES) constitue un problème majeur non résolu en cosmologie.
Comment ça marche
L'expansion est mesurée en observant comment le décalage vers le rouge de la lumière provenant d'objets lointains augmente avec la distance. Les astronomes calibrant cette relation à l'aide de « chandelles standard » (comme les variables céphéides ou les supernovae de type Ia) pour mesurer les distances, puis comparent ces distances aux vitesses de récession déduites du décalage vers le rouge. La pente de la relation vitesse-distance donne H₀. Alternativement, la constante peut être dérivée du fond diffus cosmologique (CMB) en ajustant un modèle cosmologique incluant l'énergie sombre et la matière sombre, ce qui donne une valeur légèrement différente.
En pratique
La constante de Hubble est utilisée pour convertir les décalages vers le rouge en distances dans les relevés de galaxies, ce qui est essentiel pour cartographier la structure à grande échelle de l'univers et étudier l'énergie sombre.
Anecdote
La constante de Hubble n'est pas constante dans le temps ; elle change à mesure que le taux d'expansion de l'univers évolue, de sorte que la « constante » fait spécifiquement référence à sa valeur actuelle.
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.
À force de fixer longtemps la fenêtre nocturne, on finit tôt ou tard par se heurter à une noirceur au-delà de laquelle on ne voit rien. Ce n'est pas simplement une clôture lointaine – c'est le bord de l'Univers accessible, l'horizon cosmique. La lumière des étoiles plus lointaines n'a tout simplement pas eu le temps de nous parvenir.
L'Univers refroidissait comme une baignoire géante après un début brûlant. 400 000 ans après le Big Bang, l'hydrogène était déjà prêt à se recombiner — les protons capturaient les électrons pour devenir des atomes neutres. Mais quelque part dans cette eau sombre, un robinet continuait de goutter.
Prédites par Albert Einstein, les ondes gravitationnelles sont des balises dans l'océan sombre du cosmos. Elles jaillissent lors de collisions de trous noirs et parcourent l'Univers en ridant l'espace.
Lorsque, après le Big Bang, le cosmos en refroidissement a perdu sa symétrie primordiale, des tensions sont apparues dans les champs — comme des microfissures qui se forment dans un verre en refroidissement. Les monopôles globaux, prédits par Gerard 't Hooft et Polyakov, sont devenus de telles « cicatrices » sur le corps de l'univers.
Imaginez un orchestre cosmique jouant une symphonie du Big Bang à nos jours. Le chef — l'énergie sombre — a longtemps semblé être un métronome impassible : la constante cosmologique Λ est immobile, comme une baguette suspendue en l'air.
Frappez un diapason. Fréquence 440 Hz. C'est la note la. L'étalon du son.
Dans le monde des nombres, il existe aussi un étalon. Il n'est pas accordé sur un son, mais sur les nombres premiers. Bien que leur distribution semble aléatoire, elle obéit à des lois strictes. Tous les nombres premiers résonnent ensemble.
L'orchestre cosmologique ne s'accorde pas sur un seul diapason. Il y a deux groupes d'instruments : les uns écoutent le bourdonnement du jeune univers — le fond diffus cosmologique, les autres lisent les notes sur les galaxies matures et les supernovae.
La constante cosmologique d'Einstein — erreur fâcheuse ou intuition revenue comme un boomerang ? L'accélération de l'Univers a pris les physiciens au dépourvu : le modèle ΛCDM fonctionne, mais pourquoi l'énergie du vide est-elle si ridiculement petite ?
Une planète géante encore bébé continue d'attirer à elle les restes de matériaux de construction du nuage qui l'entoure. C'est exactement ce qu'a capturé le télescope spatial Hubble en pointant ses caméras vers l'objet catalogué SR 12 c.
L'Univers ressemble à une forêt dense : de près, on voit des arbres-galaxies individuels, regroupés en bosquets, mais de loin, tout se fond en une verdure continue. La limite au-delà de laquelle le cosmos devient homogène s'appelle l'échelle angulaire d'homogénéité — c'est la taille d'une portion de ciel à partir de laquelle les galaxies sont réparties uniformément.
La cosmologie traverse une faille tectonique. Les supernovae calibrées par les céphéides, mesurées par l'équipe de Adam Riess, indiquent une vitesse d'environ 73 km/s par mégaparsec.
Si vous allumez une lampe dans une pièce, elle éclaire les murs. Mais si vous placez la même lampe dans une immense salle, la lumière atteint à peine les coins. De la même manière, le rayonnement des jeunes étoiles agit sur le gaz d'une galaxie : il arrache des électrons aux atomes d'hydrogène, faisant briller le gaz.
Imaginez un immense ballon gonflable sur lequel sont dessinées des galaxies : on le gonfle, le dessin s'étire, les points voisins s'éloignent les uns des autres. La vitesse de cet étirement, c'est la constante de Hubble. D'habitude, les astronomes capturent la lumière d'étoiles lointaines et observent à quel point elle a rougi à cause de l'étirement de l'espace.
Dans une cuisine, on a une balance pour la farine et un verre doseur pour l'eau. Séparément, ils sont précis, mais pour faire du pain, la recette exige un rapport parfait. Un débat similaire agite les astronomes à propos de la vitesse d'expansion de l'univers.
Un café chaud posé sur la table refroidit : la chaleur se propage du centre chaud vers les bords. C'est à peu près ce que font, selon les auteurs, l'univers lui-même – mais à l'échelle de milliards d'années-lumière.
Dans les années 1920, Edwin Hubble a remarqué que les galaxies s'éloignent les unes des autres – c'est ainsi que l'expansion de l'univers a été découverte.
L'Univers ne supporte pas la monotonie. Il y a un siècle, Edwin Hubble et Georges Lemaître nous ont offert une image élégante : un cosmos en expansion, lisse comme la surface d'un ballon gonflé.
L'Univers tient le registre de chaque étoile naissante. En 13,8 milliards d'années, tant d'étoiles se sont allumées dans les galaxies que leur « recensement » permet de déduire la nature même du cosmos, comme les cernes d'un arbre révèlent le climat des années passées.
On gonfle un ballon. D'abord, il se gonfle lentement, puis quelqu'un ajoute brusquement de l'air — et le ballon se dilate plus vite. Mais voilà que le flux d'air faiblit, et le ballon recommence à se gonfler plus lentement.
Prenez deux boules lourdes et écartez-les d'un mètre : elles s'attirent avec une force qui diminue d'un facteur quatre lorsqu'on double la distance. Cette loi a été découverte par Newton, et elle fonctionne dans une pièce, dans le système solaire, dans une galaxie.
Des cosmologistes ont mesuré la vitesse à laquelle les galaxies lointaines s'éloignent dans différentes parties du ciel. Pour cela, ils ont utilisé deux types de « règles cosmiques » : les amas de galaxies et les explosions de supernovae d'un certain type.
L'Univers est en expansion, mais à quelle vitesse ? Depuis des décennies, les astronomes débattent de la valeur exacte de la constante de Hubble. Deux méthodes classiques donnent des résultats légèrement différents. Voici qu'une troisième approche émerge, fondée sur de mystérieux sursauts radio.
Si l'espace est une toile, ses coups de pinceau ne peuvent pas être infiniment fins. Il existe une plus petite distance en dessous de laquelle il n'y a pas de sens à mesurer. Cette « granularité » quantique change la géométrie elle-même : le mouvement des galaxies et la croissance des grandes structures reflètent son influence.
Deux astronomes regardent le même Univers, mais ils le voient différemment. L'un mesure la vitesse d'expansion à partir de la lumière ancienne qui a voyagé vers nous pendant près de 14 milliards d'années. L'autre, à partir d'explosions d'étoiles récentes dans les galaxies voisines.
Lorsqu'un noyau lourd percute à très grande vitesse le gaz interstellaire, il se brise en morceaux. Ces morceaux — lithium, béryllium, bore — continuent leur route, et leur quantité dans le flux de rayons cosmiques dépend de la manière dont la désintégration s'est produite.
L'Univers est en expansion, et les galaxies s'éloignent les unes des autres comme les raisins secs dans une pâte qui lève. La vitesse de cette fuite — la constante de Hubble — est un nombre clé en cosmologie.
Le boson de Higgs vit incroyablement peu de temps — moins d'un milliardième de seconde. Impossible de le capturer directement, c'est pourquoi les physiciens observent ce qui reste après sa désintégration : des jets de particules, des muons, des neutrinos.
La naissance de l'univers est généralement associée au Big Bang — un point de densité infinie. Mais en un tel point, les lois de la physique s'effondrent, ce qui dérange les scientifiques. Stephen Hawking et James Hartle, dès les années 1980, ont proposé une autre vision : le temps n'a pas de frontière, tout comme la surface d'un globe.
La limite visible de l'Univers est un écran holographique qui, comme un trou noir, obéit aux lois découvertes par Bekenstein et Hawking. Normalement, l'information y est conservée, mais les calculs montrent que si quelques bits se perdent, de l'énergie est libérée, accélérant l'expansion.
Des scientifiques ont proposé un modèle où la force mystérieuse (énergie noire) possède une sorte d'inertie : elle met du temps à réagir, comme un pendule lourd. De ce fait, l'expansion de l'Univers ne s'accélère pas indéfiniment, mais s'amortit, tel un pendule dans du miel épais.
L'Univers est en expansion, et la vitesse de cette expansion suscite des débats. Edwin Hubble a découvert cette expansion il y a près d'un siècle, mais les mesures modernes donnent des valeurs différentes.
Mesurer l'expansion de l'univers, c'est un peu chronométrer une course alors que la piste s'étire. Les fusions d'étoiles à neutrons servent de sirènes standard : leurs ondes gravitationnelles émettent un « volume » connu, donc un signal plus faible signifie une distance plus grande.
Les galaxies de l'Univers ne sont pas dispersées au hasard : les voisines se déplacent dans la même direction, comme un banc de poissons, tandis que les lointaines suivent chacune leur propre chemin. Où se situe la frontière entre « ensemble » et « séparément » restait jusqu'ici flou.
L'Univers est en expansion, et il le fait de plus en plus vite. Cette accélération est due à une mystérieuse énergie noire. Pendant longtemps, on l'a considérée comme immuable, telle une constante dans un manuel.
Les télescopes modernes le montrent : les galaxies lointaines s'éloignent de plus en plus vite. On appelle cela l'énergie noire, mais sa nature reste une énigme. De plus, les calculs de la vitesse d'expansion dans l'Univers jeune et dans l'Univers tardif ne concordent pas.
L'Univers est en expansion, et chaque amas de galaxies participe à une danse grandiose. Le rythme de cette danse est donné par la constante de Hubble, mesurée pour la première fois par Edwin Hubble il y a près d'un siècle.
Deux méthodes de mesure de la vitesse d'expansion de l'Univers donnent une image contradictoire. Les mesures effectuées à partir des explosions de supernovae par l'équipe de Adam Riess indiquent une expansion plus rapide que les données du rayonnement fossile – la lumière émise après le Big Bang.
Les supernovae de type Ia sont comme des lampes de même puissance : plus la lumière est faible, plus la source est lointaine. Ces supernovae servent à mesurer les distances des galaxies lointaines. Mais la poussière cosmique, telle une vitre sale, atténue et teinte la lumière, ce qui fausse les calculs précis.
