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.

Les mesures historiques de la constante de Hubble

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.

La constante de Hubble mesurée par WMAP

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 du rayonnement 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.

WMAP

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 par la constante de Hubble

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.


Page mise à jour le 30 août 2017 par Olivier Esslinger