Webb confirme l’exactitude du taux d’expansion de l’univers mesuré par Hubble et approfondit le mystère de la tension constante de Hubble
La surface de l’exoplanète pourrait être recouverte d’océans, selon le télescope spatial James Webb
Télescope spatial James Webb approfondit le débat majeur sur le taux d’expansion de l’univers
L’un des débats cosmiques les plus importants et les plus passionnés de notre époque tourne autour d’un dilemme particulier au nom plutôt accrocheur : la tension de Hubble.
Cette phrase décrit le fait que, même si les scientifiques sont conscients que le cosmos gonfle constamment vers l’extérieur dans toutes les directions – car nous pouvons clairement voir les étoiles et les galaxies dériver de plus en plus loin de nous au fil du temps – ils ne peuvent pas parfaitement déterminer le taux à laquelle cette montgolfière se produit. (Et ce rythme s’accélère, d’ailleurs, une découverte surprenante que les astronomes ont faite à la fin des années 1990 et qui pourrait être due en partie à l’existence de l’énergie sombre.)
Cela nous laisse face à un gouffre assez important dans notre compréhension de l’univers.
Pour tenter d’aller au fond des choses, des chercheurs ont annoncé mardi 12 septembre que le télescope spatial James Webb (JWST) avait évalué la situation pour la première fois – mais il n’avait pas résolu le mystère. En fait, JWST l’a épaissi.
Mais d’abord, parlons de comment nous en sommes arrivés là.
Alors, quel est le problème avec le calcul du taux ?
Fondamentalement, régler une fois pour toutes la tension de Hubble dépend de la résolution de la véritable valeur de la constante de Hubble, qui est un nombre crucial dans le calcul du taux d’expansion de l’univers. Pourtant, pour une raison quelconque, nos prédictions théoriques de la constante ne semblent pas correspondre à la réalité.Selon la plupart des modèles, la constante de Hubble devrait être égale à environ 68 kilomètres par seconde par mégaparsec (km/s/Mpc). Un mégaparsec équivaut à 1 000 parsecs, soit environ 3 260 années-lumière, pour le contexte. Mais après avoir scanné les étoiles et les galaxies de notre univers, certains experts calculent que la constante est de 69,8 km/s/Mpc, tandis que d’autres trouvent qu’elle peut atteindre 74 km/s/Mpc, selon la méthode de mesure. D’autres encore ont proposé des solutions intermédiaires.
Potentiellement, cette divergence suggère que nos instruments ne sont pas assez intelligents – ou peut-être que nous nous trompons terriblement sur cette prédiction théorique. En d’autres termes, peut-être manque-t-il quelque chose aux modèles qui guident actuellement notre compréhension de l’univers ?
En 2019, un certain nombre de physiciens de haut niveau se sont même réunis au Kavli Institute for Theoretical Physics en Californie pour tenter officiellement de résoudre les problèmes. Cela s’est terminé par un mal de tête. Comme l’explique le physicien des particules David Gross, ancien directeur du KITP : « Nous n’appellerions pas cela une tension ou un problème mais plutôt une crise ». Et depuis, les scientifiques ont continué à déterminer avec diligence où ils auraient pu se tromper, barrant les explications possibles de la tension de Hubble sur une liste que vous pouvez consulter.
Ce qui nous amène à aujourd’hui.
Revenons aux résultats du JWST : l’observatoire spatial a rayé un élément supplémentaire de cette liste. En un mot, il montre que la soi-disant crise n’est probablement pas due à des problèmes techniques liés aux mesures effectuées par son frère, le télescope au nom très pertinent : le télescope spatial Hubble. (Dans les années 1920, l’astronome américain Edwin Hubble a découvert que l’univers était en expansion.)
C’est un gros problème, car les observations de Hubble sont l’une des caractéristiques les plus couramment utilisées par les scientifiques pour décoder la constante de Hubble – ou plus précisément, les observations de Hubble sur les étoiles céphéides.
« 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 tension actuelle de Hubble », a déclaré Adam Riess, de l’Université Johns Hopkins et du Space Telescope Science Institute, dans un communiqué.
« Je te soutiens, Hubble », a déclaré le JWST (probablement)
De telles luminosités peuvent nous indiquer à quelle distance se trouvent ces étoiles et, parce que nous connaissons la vitesse immuable de la lumière, combien de temps cette lumière a parcouru pour nous atteindre. Après quelques calculs, les scientifiques estiment que ce type d’informations provenant de nombreuses (et nombreuses) étoiles devraient nous aider à déterminer la constante de Hubble.
« Avant le lancement de Hubble en 1990 », a expliqué Riess, « le taux d’expansion de l’univers était si incertain que les astronomes ne savaient pas si l’univers était en expansion depuis 10 ou 20 milliards d’années ».De plus, il y a une étoile en particulier sur laquelle les scientifiques aiment se concentrer avec Hubble pour déterminer le taux d’expansion de l’univers : les Céphéides. Ce sont des étoiles supergéantes avec une luminosité environ 100 000 fois supérieure à celle de notre soleil.
« Ils constituent l’outil de référence pour mesurer les distances des galaxies situées à une centaine de millions d’années-lumière ou plus », a déclaré Riess, qualifiant ces mesures de « étape cruciale pour déterminer la constante de Hubble ».
Riess a également mentionné que les Céphéides palpitent – se dilatent et se contractent – ce qui indique leurs luminosités relatives. Plus la période est longue, a-t-il expliqué, plus ils sont intrinsèquement brillants – et c’est une bonne chose car cela fournit des luminosités de base et, en fin de compte, des mesures plus précises.
Ainsi, grâce au perchoir de Hubble au-dessus de notre atmosphère, le télescope peut identifier des Céphéides individuelles dans des galaxies situées à plus de cent millions d’années-lumière, mesurant ainsi l’intervalle de temps pendant lequel ces galaxies changent de luminosité. 
Mais Hubble a ses limites.
Il n’est pas assez sensible aux longueurs d’onde de la lumière infrarouge, qui se trouvent au-delà de l’extrémité rouge du spectre électromagnétique et restent invisibles à l’œil humain. « Malheureusement », a déclaré Riess, « la vision de la lumière rouge de Hubble n’est pas aussi nette que celle du bleu, donc la lumière des étoiles des Céphéides que nous y voyons est mélangée à d’autres étoiles dans son champ de vision. »
La vision infrarouge est importante lorsque l’on observe des objets lointains car, tout d’abord, la lumière provenant de sources lointaines s’étend sur le chemin vers notre point d’observation sur Terre. Les longueurs d’onde bleuâtres autrefois serrées se transforment en longueurs d’onde rougeâtres plus longues. C’est en fait de là que vient le terme « galaxies décalées vers le rouge », faisant référence à des royaumes tombant plus profondément vers cette extrémité du spectre de notre point de vue terrestre.
Et deuxièmement, seule la lumière infrarouge a la capacité de traverser la poussière indemne, ce qui signifie que si une Céphéide est coincée derrière un linceul de matière interstellaire, elle nous semblerait plus faible. Cela risque de voir sa lumière se mélanger à celle d’une autre céphéide à proximité, par exemple, ou de donner l’impression qu’une étoile est plus éloignée qu’elle ne l’est réellement.
« Nous pouvons expliquer statistiquement la quantité moyenne de mélange, de la même manière qu’un médecin calcule votre poids en soustrayant le poids moyen des vêtements de la lecture de la balance », a déclaré Riess. « Mais cela ajoute du bruit aux mesures. Les vêtements de certaines personnes sont plus lourds que d’autres. »
Entrez dans le télescope spatial James Webb.
Cet observatoire de 10 milliards de dollars, situé à près de 1,6 million de kilomètres de la Terre, est construit pour nous dévoiler l’univers infrarouge.
« Au cours de la première année d’exploitation de Webb avec notre programme General Observers 1685, nous avons collecté des observations de Céphéides trouvées par Hubble à deux niveaux de ce que l’on appelle l’échelle de distance cosmique », a déclaré Riess.
La première étape, selon l’équipe, consistait à observer les Céphéides dans une galaxie dont la distance géométrique était connue à des fins d’étalonnage. Cette galaxie était NGC 4258. La deuxième étape consistait à observer les Céphéides dans les galaxies hôtes des récentes supernovas de type Ia, qui sont des explosions d’étoiles brillantes, afin de vérifier si les observations de Hubble étaient exactes. Si Hubble avait tort, eh bien, nous avons peut-être enfin compris pourquoi il y a un écart.
Mais les observations de Hubble étaient exactes.
« JWST, je pense, a en quelque sorte mis un clou dans le cercueil de : y a-t-il eu un problème avec les mesures des Céphéides de Hubble ? » » Riess a déclaré mardi lors de la présentation de la recherche lors de la conférence de première année scientifique du JWST.
Mais surtout, le chercheur lauréat du prix Nobel ne considère pas exactement cela comme la crise qu’il perçoit progressivement lui-même.
« Je me fiche de la valeur de la constante de Hubble », a-t-il déclaré lors de la conférence. « Je veux comprendre pourquoi nos meilleurs outils – nos outils de référence – ne sont pas d’accord les uns avec les autres. »
Une étude sur ces résultats a été publiée le mois dernier sur la base de données pré-imprimée arXiv. Cette étude n’a pas encore été évaluée par des pairs
La vitesse à laquelle l’univers s’étend, connue sous le nom de constante de Hubble, est l’un des paramètres fondamentaux pour comprendre l’évolution et le destin ultime du cosmos. Cependant, une différence persistante appelée « tension de Hubble » est observée entre la valeur de la constante mesurée avec une large gamme d’indicateurs de distance indépendants et sa valeur prédite à partir de la rémanence du Big Bang.
Le télescope spatial James Webb de la NASA offre de nouvelles capacités pour examiner et affiner certaines des preuves observationnelles les plus solides de cette tension. Le lauréat du prix Nobel Adam Riess 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.
« Avez-vous déjà eu du mal à voir un signe qui se trouvait à la limite de votre champ de vision ? Ça dit quoi? Qu’est-ce que ça veut dire? Même avec les télescopes les plus puissants, les « signes » que les astronomes veulent lire semblent si petits que nous avons également du mal à le faire.
« Le signe que les cosmologistes veulent lire est un signe de limite de vitesse cosmique qui nous indique la vitesse à laquelle l’univers se développe – un nombre appelé constante de Hubble. Notre signe est inscrit dans les étoiles des galaxies lointaines. La luminosité de certaines étoiles dans ces galaxies nous indique à quelle distance elles se trouvent et donc pendant combien de temps cette lumière a voyagé pour nous atteindre, et les redshifts des galaxies nous indiquent à quel point l’univers s’est étendu au cours de cette période, nous indiquant ainsi le taux d’expansion.
« Une classe particulière d’étoiles, les variables céphéides, nous a fourni les mesures de distance les plus précises depuis plus d’un siècle parce que ces étoiles sont extraordinairement brillantes : ce sont des étoiles supergéantes, cent mille fois la luminosité du Soleil. De plus, ils palpitent (c’est-à-dire se dilatent et se contractent) sur une période de plusieurs semaines qui indique leur luminosité relative. Plus la période est longue, plus ils sont intrinsèquement brillants. Ils constituent l’outil de référence pour mesurer les distances des galaxies situées à une centaine de millions d’années-lumière ou plus, une étape cruciale pour déterminer la constante de Hubble. Malheureusement, les étoiles des galaxies sont regroupées dans un petit espace par rapport à notre point d’observation éloigné et nous manquons donc souvent de résolution pour les séparer de leurs voisines en visibilité directe.
« L’une des principales justifications de la construction du télescope spatial Hubble était de résoudre ce problème. Avant le lancement de Hubble en 1990 et les 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 depuis 10 ou 20 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 entraînera 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 se situe au-dessus des effets de flou de l’atmosphère terrestre. En conséquence, il peut identifier les variables individuelles des Céphéides dans les galaxies situées à plus de cent millions d’années-lumière et mesurer l’intervalle de temps pendant lequel leur luminosité change.
« Cependant, nous devons également observer les 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 éloignés pâles et nous faisant croire qu’ils sont plus loin qu’ils ne le sont). Malheureusement, la vision de la lumière rouge de Hubble n’est pas aussi nette que celle du bleu, de sorte que la lumière des étoiles des Céphéides que nous voyons là-bas est mélangée à d’autres étoiles dans son champ de vision. Nous pouvons prendre en compte statistiquement la quantité moyenne de mélange, 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 du bruit aux mesures. Les vêtements de certaines personnes sont plus lourds que d’autres.
« Nous avons récemment obtenu nos premières mesures Webb des étapes un et deux, ce qui nous permet de compléter l’échelle de distance et de comparer aux mesures précédentes avec Hubble (voir figure). Les mesures de Webb ont considérablement réduit le bruit dans les mesures des Céphéides en raison de la résolution de l’observatoire à longueurs d’onde du proche infrarouge. Ce genre d’amélioration fait rêver les astronomes ! Nous avons observé plus de 320 Céphéides au cours des deux premières étapes. Nous avons confirmé que les mesures antérieures du télescope spatial Hubble étaient précises, bien que plus bruyantes. Nous avons également observé quatre autres hôtes de supernova avec Webb et nous constatons un résultat similaire pour l’ensemble de l’échantillon.
« Ce que les résultats n’expliquent toujours pas, c’est pourquoi l’univers semble se développer si rapidement ! Nous pouvons prédire le taux d’expansion de l’univers en observant son image de bébé, le fond diffus cosmologique, puis en utilisant 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 largement les prévisions est un problème qui dure maintenant depuis une décennie et qui est appelé « la tension de Hubble ». La possibilité la plus excitante est que la Tension soit un indice sur quelque chose qui nous manque dans notre compréhension du cosmos.
« Cela peut indiquer la présence d’énergie noire exotique, de matière noire exotique, une révision de notre compréhension de la gravité ou la présence d’une particule ou d’un champ unique. L’explication la plus banale serait celle de multiples erreurs de mesure conspirant dans la même direction (les astronomes ont exclu une seule erreur en utilisant des étapes indépendantes), c’est pourquoi il est si important de refaire les mesures avec une plus grande fidélité. Avec Webb confirmant les 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 tension de Hubble actuelle. En conséquence, les possibilités les plus intéressantes restent sur la table et le mystère de la tension s’approfondit.»
La surface de l’exoplanète pourrait être recouverte d’océans, selon le télescope spatial James Webb
La planète dite hycéenne K2-18 b fait environ deux fois la taille de la Terre et orbite dans la zone habitable d’une étoile située à 120 années-lumière de notre système solaire.
Le télescope spatial James Webb (JWST) a découvert des preuves de la présence de molécules à base de carbone dans l’atmosphère d’un monde océanique présumé.
Les nouveaux résultats ont montré des traces de dioxyde de carbone et de méthane dans l’atmosphère de K2-18 b sans détecter d’ammoniac, ce qui indique probablement un océan d’eau sous une atmosphère riche en hydrogène.
« Nos résultats soulignent l’importance de prendre en compte la diversité des environnements habitables dans la recherche de la vie ailleurs », a déclaré Nikku Madhusudhan, auteur principal de la recherche et scientifique de l’Université de Cambridge, dans un communiqué. « Traditionnellement, la recherche de vie sur les exoplanètes s’est concentrée principalement sur les planètes rocheuses plus petites, mais les mondes hycéens plus grands sont nettement plus propices aux observations atmosphériques. »
Avec une masse environ 8,6 fois celle de la Terre et située dans la zone habitable de son étoile froide — la région qui n’est ni trop chaude ni trop froide pour héberger de l’eau liquide — K2–18 b est un exemple de planète d’une taille comprise entre la Terre et le Soleil. système géant de glace Neptune. Ces mondes sont appelés « sous-Neptunes » et ne ressemblent à aucune planète du système solaire, ce qui en fait un mystère pour les astronomes, qui débattent actuellement de la nature de leurs atmosphères.
Ces recherches devraient permettre de commencer à lever le voile entourant les atmosphères et les conditions environnementales des mondes sub-neptuniens et hycéens.
Est-ce une preuve de vie en dehors du système solaire ?
En plus de révéler des molécules de carbone, les découvertes du JWST ont également montré la présence possible de quelque chose de potentiellement plus excitant dans l’atmosphère de K2-18 b.
Ce sens de la prudence doit être appliqué aux résultats K2–18 b en général lorsqu’il s’agit de spéculer sur la vie extraterrestre. Même si la planète possède un océan d’eau liquide et une atmosphère contenant des molécules de carbone, cela ne signifie pas nécessairement qu’elle abrite la vie ou que l’exoplanète pourrait même abriter des êtres vivants.
Avec une largeur d’environ 2,6 fois celle de la Terre, la taille de la planète signifie que son intérieur contient de la glace à haute pression semblable à celle de Neptune mais avec une atmosphère plus mince et une surface océanique. Cela signifie que la planète est peut-être en train de faire bouillir de l’eau liquide, rendant ses océans trop chauds pour accueillir la vie.
Comment le télescope spatial James Webb a vu à travers un monde océanique
Évaluer la composition des atmosphères de mondes lointains comme K2-18 b n’est pas une tâche facile car la lumière qui se reflète sur leurs atmosphères est très faible comparée à la lumière de leurs étoiles mères. Madhusudhan et l’équipe ont fait cela pour K2-18 b en attendant que la planète traverse la face de son étoile du point de vue du JWST. Cela signifie que la lumière de son étoile mère brille directement à travers l’atmosphère de la planète.
« Ce résultat n’a été possible que grâce à la gamme de longueurs d’onde étendue et à la sensibilité sans précédent du JWST, qui a permis une détection robuste des caractéristiques spectrales avec seulement deux transits », a expliqué Madhusudhan. « À titre de comparaison, une observation de transit avec le JWST a fourni une précision comparable à huit observations avec Hubble réalisées sur quelques années et dans une plage de longueurs d’onde relativement étroite. »
Les découvertes de l’équipe reflètent les données collectées par le JWST au cours de seulement deux transits de K2-18 b sur la face de son étoile mère. D’autres observations de l’exoplanète sont en cours, mais l’équipe à l’origine de ces découvertes pense que ce qu’elle a vu jusqu’à présent est déjà une preuve de la puissance du JWST, avec un seul transit capable de fournir autant de données que Hubble pourrait en récolter en huit similaires. passages à niveau.
L’équipe va désormais continuer à observer K2-18b avec le JWST, et son instrument infrarouge moyen (MIRI) en particulier, dans le but de valider leurs découvertes et également de recueillir davantage d’informations sur les conditions environnementales de l’exoplanète.
« Notre objectif ultime est l’identification de la vie sur une exoplanète habitable, ce qui transformerait notre compréhension de notre place dans l’univers », a conclu Madhusudhan. « Nos découvertes constituent une étape prometteuse vers une compréhension plus profonde des mondes hycéens dans cette quête. »
Les recherches de l’équipe ont été acceptées pour publication dans Astrophysical Journal Letters.
https://www.space.com/james-webb-space-telescope-hubble-tension-universe-expansion