La constante de Hubble et l'âge de l'Univers

Premières mesures

La construction d'une échelle des distances de l'Univers à donc permis aux astronomes de s'attaquer à la mesure de la constante de Hubble H₀. Les premières estimations vinrent avec la découverte de l'expansion elle-même. Hubble calcula alors une valeur de 500 kilomètres par seconde et par mégaparsec. Cette valeur était très 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 faible valeur 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 observation sur observation sans pour autant que les deux estimations ne se rapprochent.

Les mesures 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. Il est en particulier capable de détecter des céphéides dans les amas de la Vierge et de Fornax, deux amas de galaxies très riches situés à une soixantaine de millions d'années lumière. Jusqu'alors, la distance aux galaxies de ces amas ne pouvait être mesurée qu'indirectement en s'appuyant sur des indicateurs secondaires. Grâce au télescope spatial, il fut possible de se servir d'indicateurs primaires, les céphéides, donc d'obtenir une plus grande précision.

L'un de projets les plus importants 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 : 70 kilomètres par seconde et par mégaparsec, à 10 pour cent près. Deux ans plus tard, la valeur fut encore légèrement affinée 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 du rayonnement fossile, un rayonnement qui emplit l'Univers et date de quelques centaines de milliers d'années après le Big Bang. Ce rayonnement n'est pas complètement uniforme mais varie très légèrement lorsque l'on observe des directions différentes du ciel. Les théoriciens ont montré que 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 plus affinée de H₀ : 71 kilomètres par seconde et par mégaparsec, à 5 pour cent près.

L'âge de l'Univers

Maintenant que nous connaissons à peu près la valeur de la constante de Hubble, nous pouvons essayer de 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 par un moyen ou un autre de mesurer sa vitesse, disons 60 kilomètres à l'heure, et sa distance, un kilomètre. En supposant que la voiture a roulé à vitesse constante, vous pouvez immédiatement calculer qu'elle roule depuis 1 minute.

Le problème est plus ou moins le même pour une galaxie lointaine. Si nous sommes capables de mesurer à la fois sa distance et sa vitesse, nous pouvons déterminer depuis combien de temps elle s'éloigne de nous, donc l'âge de l'Univers. Il suffit en fait de diviser la distance de la galaxie par sa vitesse de récession. D'après la loi de Hubble, il se trouve que le résultat sera tout simplement égal à l'inverse de H₀. Ainsi, par exemple, plus la constante de Hubble est grande, plus l'Univers est jeune.

Notons que 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 décéléré, sa vitesse moyenne sur le parcours est plus grande que celle que vous mesurez maintenant. Donc la durée réelle du trajet est plus courte que ce que la vitesse actuelle de la voiture semble indiquer. De même, si l'Univers a accéléré ou décéléré lors de son expansion, les estimations doivent prendre en compte un paramètre de correction.

Finissons donc avec les résultats les plus récents. L'équipe en charge de mesurer la constante de Hubble en utilisant le télescope spatial a estimé l'âge de l'Univers à une valeur comprise entre 13 et 14 milliards d'années. Les observations du satellite WMAP estiment quant à elles la valeur à 13,7 milliards d'années avec une marge d'erreur époustouflante d'un pour cent.