L’âge
de l’Univers par la constante de Hubble
La constante de Hubble (H0), le facteur
de proportionnalité entre vitesse de récession et distance des galaxies est un
des paramètres fondamentaux de l’Univers et permet en particulier de déterminer
l’âge de l’Univers comme nous allons le voir.
Une longue quête
Les premières
estimations de la constante vinrent avec la découverte de l’expansion elle-même.
Edwin Hubble calcula alors une valeur de 500 kilomètres par seconde et par
mégaparsec (le mégaparsec est l’unité de distance utilisée généralement en
astrophysique extragalactique et vaut 3.26 millions d’années-lumière).
Cette valeur était trop élevée car Hubble ignorait qu’il existait deux types de céphéides de
luminosités différentes. En mélangeant les deux types, il commettait une erreur
qui surestimait H0. Ceci fut réparé dans les années 1950 par l’Allemand Walter
Baade qui divisa la constante par deux.
Un peu plus tard,
l’Américaine Allan Sandage, un ancien étudiant de Hubble, mit à jour un autre
problème. Certains des objets brillants que Hubble avait pris pour des étoiles
lumineuses dans des galaxies lointaines se révélèrent en fait être des amas ou
des régions HII.
La constante fut a nouveau modifiée pour atteindre une valeur de 75. Après
quelques derniers réarrangements, elle se fixa finalement à une valeur
légèrement supérieure à 50 kilomètres par seconde et par mégaparsec, dix fois
plus petite que l’estimation de Hubble.
Cette valeur
assez faible fut acceptée jusqu’en 1976 lorsqu’un autre astronome américain,
Gérard de Vaucouleurs, s’attaqua au problème en utilisant une plus grande
variété d’indicateurs de distance. Il arriva à une valeur proche de 100
kilomètres par seconde et par mégaparsec, pratiquement deux fois supérieure à
celle de Sandage. Après cette date, deux écoles s’affrontèrent, accumulant
observations sur observations sans pour autant se départager.
Les mesure
récentes
Grâce à sa
capacité à voir des détails très fins, le télescope spatial est en mesure d’observer
des céphéides dans des galaxies lointaines où ses confrères terrestres ne
peuvent plus distinguer les étoiles. L’une des premières missions du
télescope spatial fut donc de déterminer H0. Une équipe internationale fut
assemblée qui observa 18 galaxies sur une période de huit ans et découvrit près
de 800 céphéides. Cette équipe publia ses résultats en 1999 et annonça sa
mesure de la constante de Hubble : 70 kilomètres par seconde et par
mégaparsec, à 10 pour cent près. Deux ans plus tard, la valeur fut légèrement
raffinée pour atteindre 72 kilomètres par seconde et par mégaparsec.
La détermination
la plus récente et la plus précise de la constante de Hubble repose sur une
méthode complètement différente. Le satellite WMAP fut lancé en 2001 pour prendre
des mesures très précises durayonnement fossile, un
rayonnement qui date de quelques centaines de milliers d’années après le Big
Bang. L’intensité de ce rayonnement varie très légèrement dans différentes
directions du ciel. Ces fluctuations dépendent de plusieurs paramètres, en
particulier de la vitesse d’expansion de l’Univers. Les mesures extrêmement
précises de WMAP ont donc permis de calculer une nouvelle valeur de H0 :
71 kilomètres par seconde et par mégaparsec, à 5 pour cent près.
Le rayonnement
fossile mesuré par le satellite WMAP en 2003. Les zones de différentes couleurs
sont des fluctuations infimes de la température du rayonnement dans différentes
directions du ciel. Ces fluctuations sont le résultat de variations dans la
densité de l’Univers primordial. Une analyse poussée de ces fluctuations a
permis de déterminer avec une grande précision la valeur de la constante de
Hubble et l’âge de l’Univers. Crédit : NASA/WMAP
L’âge de
l’Univers
Une fois la
valeur de la constante de Hubble connue, nous pouvons l’utiliser pour estimer
l’âge de l’Univers. Imaginez que vous observiez au loin une voiture qui
s’éloigne et que vous soyez capable de mesurer sa vitesse et sa distance,
disons 60 kilomètres à l’heure et une distance d’un kilomètre. En
supposant que la voiture a roulé à une vitesse constante, vous pouvez calculer
qu’elle roule depuis 1 minute.
La situation est
la même pour une galaxie lointaine. Si nous pouvons mesurer à la fois sa
distance et sa vitesse, nous pouvons déterminer depuis combien de temps elle
s’éloigne de nous. Il suffit en fait de diviser la distance de la galaxie par
sa vitesse de récession. D’après la loi de Hubble, cette valeur est tout
simplement l’inverse de H0. Ainsi, par exemple, plus la constante de Hubble est
grande, plus l’Univers est jeune.
Le calcul
précédent n’est correct que si la vitesse d’expansion est constante. En
reprenant l’exemple précédent, si la voiture qui s’éloigne a constamment
accéléré, sa vitesse moyenne sur le parcours est plus petite que sa vitesse
actuelle et la durée réelle du trajet est plus longue. De même, si l’Univers a
accéléré ou décéléré lors de son expansion, les estimations doivent prendre en
compte une correction.
En prenant en
compte cette correction et les mesures les plus récentes du satellite
WMAP, l’âge de l’Univers est estimé à 13,75 milliards d’années avec une marge
d’erreur de 0,1 milliard.
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