Le télescope spatial Webb mesure le taux d’expansion de l’univers

Les observations combinées de la caméra NIRCam (Near Infrared Camera) de la NASA et de la caméra WFC3 (Wide Field Camera 3) de la NASA montrent la galaxie spirale NGC 5584, à 72 millions d’années-lumière de la Terre. Parmi les étoiles brillantes de NGC 5584 figurent des pulsars appelés variables céphéides et une supernova de type Ia, une classe spéciale d’étoiles explosives. Les astronomes utilisent les variables céphéides et les supernovae de type Ia comme marqueurs de distance fiables pour mesurer le taux d’expansion de l’univers. Source de l’image : NASA, ESA, CSA et A. Riess (STScI)

La tension de Hubble fait référence à la différence entre le taux d’expansion observé et attendu de l’univers. le Télescope spatial James Webb Révise les mesures qu’il a faites précédemment Le télescope spatial Hubble. Malgré ces progrès, des questions demeurent quant à l’expansion rapide de l’univers et aux éventuels phénomènes cosmiques sous-jacents.

La vitesse à laquelle l’univers s’étend, connue sous le nom de constante de Hubble, est l’un des critères fondamentaux pour comprendre l’évolution et le destin ultime de l’univers. Il existe cependant une différence persistante appelée « tension de Hubble » qui apparaît entre la valeur de la constante mesurée par une large gamme d’indices de distance indépendants et sa valeur attendue de le Big Bang crépuscule.

NASALe télescope spatial James Webb offre de nouvelles capacités pour examiner et affiner certaines des preuves observationnelles les plus solides de cette tension. Adam Ries, lauréat du prix Nobel de l’Université Johns Hopkins et du Space Telescope Science Institute, présente ses travaux récents et ceux de ses collègues utilisant les observations de Webb pour améliorer la précision des mesures locales de la constante de Hubble.

Le défi de la mesure cosmologique

« Avez-vous déjà eu du mal à voir une marque qui se trouvait au bord de votre champ de vision ? Que dit-elle ? Qu’est-ce que cela signifie ? Même avec les télescopes les plus puissants, les « marques » que les astronomes veulent lire semblent si petites que nous avons du mal à les voir. , aussi. »

« Le signe que les cosmologistes veulent lire est le signe de la limite de vitesse cosmique qui nous indique à quelle vitesse l’univers s’étend – un nombre appelé constante de Hubble. Notre signe est écrit dans les étoiles des galaxies lointaines. La luminosité de certaines étoiles dans ces galaxies nous indiquent à quelle distance elles se trouvent, et donc combien de temps cette lumière a parcouru. » Pour nous atteindre, les redshifts des galaxies nous indiquent à quel point l’univers s’est étendu pendant cette période, et donc l’expansion. une moyenne.

Ce graphique montre la puissance combinée des télescopes spatiaux Hubble et Webb de la NASA pour déterminer des distances précises jusqu’à une classe spéciale d’étoiles variables utilisées pour calibrer le taux d’expansion de l’univers. Ces étoiles variables céphéides sont visibles dans des champs d’étoiles encombrés. La pollution lumineuse des étoiles environnantes peut rendre la mesure de la luminosité des Céphéides moins précise. La vue infrarouge plus nette de Webb permet d’isoler plus clairement la cible des Céphéides des étoiles environnantes, comme on le voit sur le côté droit du diagramme. Les données de Webb confirment l’exactitude de 30 années d’observations des Céphéides par Hubble, qui ont été cruciales pour déterminer l’échelon inférieur de l’échelle de distance cosmique pour mesurer le taux d’expansion de l’univers. À gauche, NGC 5584 est montré dans une image composite de Webb NIRCam (caméra proche infrarouge) et de la caméra grand champ 3 de Hubble. Crédit image : NASA, ESA, A. Riess (STScI), W. Yuan (STScI)

« Une classe particulière d’étoiles, les variables céphéides, nous ont donné les mesures de distance les plus précises depuis plus d’un siècle parce que ces étoiles sont extraordinairement brillantes : ce sont des étoiles géantes, cent mille fois la luminosité du Soleil. De plus, elles pulsent. » (c’est-à-dire se dilater et se contracter en magnitude) sur une période de plusieurs semaines indiquant leur luminosité relative. Plus la période est longue, plus elle est intrinsèquement brillante. C’est l’instrument de référence pour mesurer les distances entre les galaxies de cent millions d’années-lumière ou plus loin, et constitue une étape cruciale dans la détermination de la constante de Hubble. Malheureusement, les étoiles des galaxies sont regroupées dans une petite zone de notre point de vue éloigné, nous manquons donc souvent de la résolution nécessaire pour les séparer de leurs voisines en ligne de mire.

La contribution de Hubble et les développements de Webb

« La principale justification de la construction du télescope spatial Hubble était de résoudre ce problème. Avant le lancement de Hubble en 1990 et ses mesures ultérieures des Céphéides, le taux d’expansion de l’univers était si incertain que les astronomes ne savaient pas si l’univers était en expansion de 10 milliards ou de 20 milliards. milliards d’années. En effet, un taux d’expansion plus rapide conduira à un âge plus jeune de l’univers, et un taux d’expansion plus lent conduira à un âge plus avancé de l’univers. Hubble a une meilleure résolution en longueur d’onde visible que n’importe quel télescope au sol car il est situé au-dessus des effets nébuleux de l’atmosphère terrestre, ce qui lui permet d’identifier des variables individuelles de Céphéides dans des galaxies plus éloignées à plus de cent millions d’années-lumière et de mesurer l’intervalle de temps pendant lequel sa luminosité change.

« Cependant, nous devons également observer les étoiles céphéides dans la partie proche infrarouge du spectre pour voir la lumière qui passe indemne à travers la poussière intermédiaire. (La poussière absorbe et diffuse la lumière optique bleue, rendant les objets distants pâles et nous incitant à réfléchir.  » elles sont plus loin qu’elles ne le sont.) Malheureusement, la vision de la lumière rouge par Hubble n’est pas aussi nette que la lumière bleue, donc la lumière des étoiles des Céphéides que nous y voyons est mélangée avec d’autres étoiles dans son champ de vision. Nous pouvons calculer la quantité moyenne de mélange. , Statistiquement, de la même manière qu’un médecin calcule votre poids en soustrayant le poids moyen des vêtements de la lecture de la balance, mais cela ajoute de la confusion aux mesures. Les vêtements de certaines personnes sont plus lourds que d’autres.

« Cependant, la vision infrarouge nette est l’un des super pouvoirs du télescope spatial James Webb. Avec son grand miroir et ses optiques sensibles, il peut facilement séparer la lumière des Céphéides des étoiles proches avec peu de mélange. Au cours de la première année d’exploitation de Webb avec notre programme d’observateurs In En 1685, nous avons collecté des observations de Céphéides découvertes par Hubble en deux étapes le long de ce que l’on appelle l’échelle de distance cosmique. La première étape consiste à observer les Céphéides dans une galaxie dont la distance géométrique est connue, ce qui nous permet de calibrer la véritable luminosité des Céphéides. programme, cette galaxie est NGC 4258. La deuxième étape consiste à observer les Céphéides dans les galaxies hôtes des supernovae récentes de type Ia. La combinaison des deux premières étapes transfère la connaissance de la distance aux supernovae pour calibrer leur véritable luminosité. La troisième étape consiste à observez ces supernovae lointaines où l’expansion de l’univers est évidente et peut être mesurée en comparant les distances déduites des luminosités et des redshifts des galaxies hôtes de la supernova. Cette séquence d’étapes est connue sous le nom d’échelle de distance.

« Nous avons récemment obtenu les premières mesures de Webb des étapes 1 et 2, nous permettant de compléter l’échelle de distance et de les comparer aux mesures précédentes utilisant Hubble (voir figure). Les mesures de Webb ont considérablement réduit le bruit dans les mesures des Céphéides en raison de la précision de l’observatoire à proximité. -longueurs d’onde infrarouges. Ce genre d’amélioration est ce dont rêvent les astronomes ! Nous avons observé plus de 320 étoiles céphéides au cours des deux premières étapes. Nous avons confirmé que les mesures précédentes du télescope spatial Hubble étaient précises, bien que plus bruyantes. Nous avons également observé quatre hôtes supernova en utilisant Webb, nous avons constaté un résultat similaire pour l’ensemble de l’échantillon.

Comparez les relations entre la période des Céphéides et la luminosité utilisée pour mesurer les distances. Les points rouges proviennent de Webb de la NASA et les points gris de Hubble de la NASA. Le panneau supérieur est dédié à NGC 5584, l’hôte de la supernova de type Ia, avec un encart montrant des images de la même Céphéide vue par chaque télescope. Le panneau inférieur concerne NGC 4258, une galaxie avec une distance géométrique connue, l’encadré montrant la différence des coefficients de distance entre NGC 5584 et NGC 4258, telle que mesurée à l’aide de chaque télescope. Les deux télescopes sont en excellent accord. Crédit image : NASA, ESA, A. Riess (STScI) et G. Anand(STScI)

Le mystère persistant de la tension de Hubble

« Ce que les résultats n’ont pas encore expliqué, c’est pourquoi l’univers s’étend si rapidement ! Nous pouvons fierté Le taux d’expansion de l’univers en observant son image naissante Fond cosmique de micro-ondes, nous utilisons ensuite notre meilleur modèle de croissance au fil du temps pour nous dire à quelle vitesse l’univers devrait s’étendre aujourd’hui. Le fait que la mesure actuelle du taux d’expansion dépasse considérablement les attentes est un problème vieux d’une décennie appelé « gigue de Hubble ». La possibilité la plus excitante est que le stress soit la preuve de quelque chose qui nous manque dans notre compréhension de l’univers.

« Cela pourrait indiquer la présence d’énergie sombre exotique, de matière noire exotique, une révision de notre compréhension de la gravité ou l’existence d’une particule ou d’un champ unique. L’explication la plus simple est que plusieurs erreurs de mesure conspirent dans la même direction (les astronomes exclu une erreur en utilisant des étapes indépendantes), c’est pourquoi il est si important de répéter les mesures avec plus de précision. Avec la confirmation par Webb des mesures de Hubble, les mesures de Webb fournissent la preuve la plus solide à ce jour que les erreurs systématiques dans la photométrie des céphéides de Hubble ne jouent pas un rôle significatif dans la photométrie des céphéides de Hubble. l’instabilité actuelle, ce qui fait que l’intérêt le plus probable est sur la table et que le mystère tendu s’approfondit.

Cet article met en évidence les données de A papier Ce qui a déjà été accepté Journal d’astrophysique.

Référence : « Plus de surpeuplement : précision de la constante de Hubble testée par des observations à haute résolution d’objets céphéides avec le télescope spatial James Webb » par Adam J. Rees, Gagandeep S. Anand, Wenlong Yuan, Stefano Casertano, Andrew Dolphin, Lucas M. Macri, Louise Proval, Dan Skolnick, Marshall Perrin et Richard I. Anderson, ont accepté, Journal d’astrophysique.
arXiv:2307.15806

Auteur : Adam Ries est professeur émérite Bloomberg à l’Université Johns Hopkins, professeur Thomas G. Barber d’études spatiales à la JHU Krieger School of Arts and Sciences, astronome distingué au Space Telescope Science Institute et récipiendaire du prix Nobel 2011. Prix ​​de physique.