Ce matin de juillet, dans une pièce avec une vue obstruée sur le Pacifique, Riess semblait avoir un deuxième prix Nobel dans sa ligne de mire. Parmi les 100 experts de la foule — des représentants invités de tous les grands projets cosmologiques, ainsi que des théoriciens et d’autres spécialistes intéressés — personne ne pouvait nier que ses chances de succès s’étaient considérablement améliorées le vendredi précédent.

Avant la conférence, une équipe de cosmologistes se faisant appeler H0LiCOW avait publié sa nouvelle mesure du taux d’expansion de l’univers. À la lumière de six quasars lointains, H0LiCOW a fixé H0 à 73,3 kilomètres par seconde par mégaparsec — nettement plus élevé que la prédiction de Planck. Ce qui importait, c’était à quel point le 73,3 de H0LiCOW était proche des mesures de H0 par SH0ES — l’équipe dirigée par Riess. SH0ES mesure l’expansion cosmique à l’aide d’une « échelle de distance cosmique”, une méthode par étapes de mesure des distances cosmologiques. La dernière mesure de SH0ES en mars a identifié H0 à 74.0, bien dans les marges d’erreur de H0LiCOW.

« Mon cœur était enflammé”, m’a dit Riess, à propos de son premier regard sur le résultat de H0LiCOW deux semaines avant Santa Barbara.

Pendant six ans, l’équipe SH0ES a affirmé qu’elle avait trouvé une divergence avec les prédictions basées sur l’univers primitif. Maintenant, les mesures combinées SH0ES et H0LiCOW ont franchi un seuil statistique connu sous le nom de « cinq sigma”, ce qui signifie généralement une découverte d’une nouvelle physique. Si la constante de Hubble n’est pas 67 mais en fait 73 ou 74, alors ΛCDM manque quelque chose — un facteur qui accélère l’expansion cosmique. Cet ingrédient supplémentaire ajouté au mélange familier de matière et d’énergie donnerait une compréhension plus riche de la cosmologie que la théorie ΛCDM plutôt fade ne le fournit.

Au cours de son discours, Riess a déclaré à propos du fossé entre 67 et 73, « Cette différence semble être robuste. »

« Je sais que nous avons appelé cela la ”tension constante de Hubble », a-t-il ajouté, mais sommes-nous encore autorisés à appeler cela un problème? »

Il a posé la question à son compatriote David Gross, physicien des particules et ancien directeur de l’Institut Kavli de Physique Théorique (KITP), où s’est déroulée la conférence.

« Nous n’appellerions pas cela une tension ou un problème, mais plutôt une crise », a déclaré Gross.

 » Alors nous sommes en crise. »

Pour ceux qui essaient de comprendre le cosmos, une crise est l’occasion de découvrir quelque chose de grand. Lloyd Knox, membre de l’équipe Planck, a pris la parole après Riess. « Peut-être que la tension constante de Hubble est la rupture passionnante de ΛCDM que nous avons tous été, ou beaucoup d’entre nous l’ont été, en attente et en espoir”, a-t-il déclaré.

Le Hubble Constant Surd

Lorsque les discussions ont pris fin pour la journée, de nombreux participants se sont entassés dans une camionnette à destination de l’hôtel. Nous avons passé devant des palmiers avec l’océan à droite et les montagnes de Santa Ynez à gauche. Wendy Freedman, une vétéran de Hubble constant décorée, perchée au deuxième rang. Femme mince et calme de 62 ans, Freedman a dirigé l’équipe qui a effectué la première mesure de H0 avec une précision de 10%, atteignant un résultat de 72 en 2001.

Le conducteur, un jeune californien barbu, a entendu parler du problème de Hubble et de la question de savoir comment l’appeler. Au lieu de tension, de problème ou de crise, il a suggéré « surd”, ce qui signifie absurde ou irrationnel. La constante de Hubble surd.

Cependant, Freedman semblait moins étourdi que le conférencier moyen au sujet de l’écart apparent et n’était pas prêt à l’appeler réel. ”Nous avons encore du travail à faire », dit-elle tranquillement, presque en prononçant les mots.

Freedman a passé des décennies à améliorer les mesures H0 en utilisant la méthode de l’échelle de distance cosmique. Pendant longtemps, elle a calibré les échelons de son échelle en utilisant des étoiles céphéides — les mêmes étoiles pulsantes de luminosité connue que SH0ES utilise également comme « bougies standard” dans son échelle de distance cosmique. Mais elle s’inquiète des sources d’erreur inconnues. ”Elle sait où tous les squelettes sont enterrés », a déclaré Barry Madore, le mari à moustaches blanches et proche collaborateur de Freedman, qui s’est assis à l’avant à côté du conducteur.

Freedman a déclaré que c’est pourquoi elle, Madore et leur programme Carnegie-Chicago Hubble (CCHP) ont entrepris il y a plusieurs années d’utiliser les étoiles « tip of the red giant branch” (TRGB) pour calibrer une nouvelle échelle de distance cosmique. Les TRGB sont ce que les étoiles comme notre soleil se transforment brièvement en à la fin de leur vie. Gonflés et rouges, ils deviennent de plus en plus brillants jusqu’à atteindre un pic de luminosité caractéristique causé par l’allumage soudain de l’hélium dans leurs cœurs. Freedman, Madore et Myung Gyoon Lee ont souligné pour la première fois en 1993 que ces géants rouges qui culminent peuvent servir de bougies standard. Maintenant, Freedman les avait mis au travail. Alors que nous débarquions de la camionnette, je lui ai demandé son entretien prévu. ”C’est le deuxième discours après le déjeuner demain », a-t-elle déclaré.

« Sois là « , dit Madore, une lueur dans les yeux, alors que nous nous séparions.

Quand je suis arrivé dans ma chambre d’hôtel et que j’ai vérifié Twitter, j’ai constaté que tout avait changé. Le papier de Freedman, Madore et de leur équipe de la CCHP venait de tomber. En utilisant des étoiles à la pointe de la branche géante rouge, ils avaient fixé la constante de Hubble à 69,8 – notamment en deçà de la mesure de 74,0 de SH0ES en utilisant les céphéides et les 73 de H0LiCOW.3 des quasars, et plus de la moitié de la prédiction de Planck 67.4. « L’Univers ne fait que nous déranger à ce stade, n’est-ce pas? »un astrophysicien a tweeté. Les choses devenaient folles.

Dan Scolnic, un jeune membre à lunettes de SH0ES basé à l’Université Duke, a déclaré que lui, Riess et deux autres membres de l’équipe s’étaient réunis, « essayant de comprendre ce qu’il y avait dans le journal. Adam et moi sommes ensuite allés dîner et nous étions assez perplexes, car dans ce que nous avions vu jusqu’à présent, les céphéides et les TRGB étaient en très bon accord. »

Ils ont rapidement compris le changement clé de l’article: une nouvelle façon de mesurer les effets de la poussière lors de la mesure de la luminosité intrinsèque des TRGB — le premier échelon de l’échelle de distance cosmique. ”Nous avons eu un tas de questions sur cette nouvelle méthode », a déclaré Scolnic. Comme d’autres participants dispersés dans le Best Western Plus, ils attendaient avec impatience le discours de Freedman le lendemain. Scolnic a tweeté: « Demain sera intéressant. »

Construire une échelle de distance

Tension, problème, crise, surd — il y a une constante de Hubble depuis 90 ans, depuis que les tracés de l’astronome américain Edwin Hubble sur les distances et les vitesses de récession des galaxies ont montré que l’espace et tout ce qui s’y trouve s’éloignent de nous (malgré le refus de Hubble d’accepter cette conclusion). L’une des plus grandes découvertes cosmologiques de tous les temps, l’expansion cosmique implique que l’univers a un âge fini.

Le rapport entre la vitesse de récession d’un objet et sa distance donne la constante de Hubble. Mais alors qu’il est facile de dire à quelle vitesse une étoile ou une galaxie recule — il suffit de mesurer le décalage Doppler de ses fréquences, un effet similaire à celui d’une sirène tombant en hauteur lorsque l’ambulance s’éloigne — il est beaucoup plus difficile de dire la distance d’une piqûre de lumière dans le ciel nocturne.

C’est Henrietta Leavitt, l’une des  » calculatrices ” humaines de l’Observatoire du Harvard College, qui a découvert en 1908 que les étoiles céphéides pulsent avec une fréquence proportionnelle à leur luminosité. Les grandes céphéides brillantes pulsent plus lentement que les petites céphéides sombres (tout comme un gros accordéon est plus difficile à comprimer qu’un tout petit). Et ainsi, à partir des pulsations d’une céphéide lointaine, vous pouvez lire à quel point elle est intrinsèquement brillante. Comparez cela à la faiblesse de l’étoile, et vous pouvez dire sa distance — et la distance de la galaxie dans laquelle elle se trouve.

Dans les années 1920, Hubble a utilisé les céphéides et la loi de Leavitt pour déduire qu’Andromède et d’autres « nébuleuses spirales” (comme on les appelait) sont des galaxies séparées, bien au-delà de notre Voie lactée. Cela a révélé pour la première fois que la Voie Lactée n’est pas l’univers entier — que l’univers est, en fait, incroyablement vaste. Hubble a ensuite utilisé les céphéides pour déduire les distances aux galaxies voisines, qui, tracées par rapport à leurs vitesses, ont révélé une expansion cosmique.

Hubble a surestimé le taux de 500 kilomètres par seconde par mégaparsec, mais le nombre a chuté lorsque les cosmologistes ont utilisé des céphéides pour calibrer des échelles de distance cosmiques toujours plus précises. À partir des années 1970, l’éminent cosmologiste observationnel et protégé de Hubble, Allan Sandage, a soutenu que H0 était d’environ 50. Ses rivaux revendiquaient une valeur autour de 100, basée sur différentes observations astronomiques. Le débat au vitriol du 50 contre 100 faisait rage au début des années 80 lorsque Freedman, un jeune Canadien travaillant comme postdoc aux observatoires Carnegie de Pasadena, en Californie, où Sandage travaillait également, a entrepris d’améliorer les échelles de distance cosmiques.

Pour construire une échelle de distance, vous commencez par calibrer la distance par rapport aux étoiles de luminosité connue, telles que les céphéides. Ces bougies standard peuvent être utilisées pour mesurer les distances à des céphéides plus faibles dans des galaxies plus lointaines. Cela donne les distances des « supernovas de type 1a » dans les mêmes galaxies — des explosions stellaires prévisibles qui servent de bougies standard beaucoup plus brillantes, bien que plus rares. Vous utilisez ensuite ces supernovas pour mesurer les distances à des centaines de supernovas plus éloignées, dans des galaxies qui se déplacent librement dans le courant d’expansion cosmique, connu sous le nom de « flux de Hubble ». »Ce sont les supernovas dont le rapport vitesse/distance donne H0.

Mais bien que l’évanouissement d’une bougie standard soit censé indiquer sa distance, la poussière atténue également les étoiles, les faisant regarder plus loin qu’elles ne le sont. L’encombrement par d’autres étoiles peut les rendre plus brillantes (et donc plus proches). De plus, même les étoiles supposées à bougie standard ont des variations inhérentes dues à l’âge et à la métallicité qui doivent être corrigées. Freedman a conçu de nouvelles méthodes pour traiter de nombreuses sources d’erreurs systématiques. Quand elle a commencé à obtenir des valeurs H0 supérieures à celles de Sandage, il est devenu antagoniste.  » Pour lui, j’étais une jeune arriviste », m’a-t-elle dit en 2017. Néanmoins, dans les années 90, elle a assemblé et dirigé le projet clé du télescope spatial Hubble, une mission visant à utiliser le nouveau télescope Hubble pour mesurer les distances avec les céphéides et les supernovas avec une précision plus grande que jamais. La valeur H0 de 72 que son équipe a publiée en 2001 a divisé la différence dans le débat 50 contre 100.

Freedman est nommé directeur des Observatoires Carnegie deux ans plus tard, devenant le patron de Sandage. Elle était gracieuse et il s’adoucit. Mais « jusqu’à son jour de mort”, dit-elle, « il croyait que la constante de Hubble avait une valeur très faible. »

Quelques années après la mesure de Freedman de 72 à moins de 10% de précision, Riess, professeur à l’Université Johns Hopkins, s’est lancé dans le jeu de l’échelle de distance cosmique, cherchant à clouer H0 à moins de 1% dans l’espoir de mieux comprendre l’énergie sombre qu’il avait co-découverte. Depuis lors, son équipe SH0ES n’a cessé de resserrer les échelons de l’échelle — en particulier le premier et le plus important : l’étape de calibrage. Comme l’a dit Riess, « À quelle distance est quelque chose? Après cela, la vie devient plus facile; vous mesurez des choses relatives. »SH0ES utilise actuellement cinq méthodes indépendantes de mesure des distances par rapport à leurs étalonneurs céphéides. « Ils sont tous très bien d’accord, et cela nous donne beaucoup de confiance », a-t-il déclaré. Au fur et à mesure de la collecte des données et de l’amélioration de leur analyse, les barres d’erreur autour de H0 ont été réduites à 5% en 2009, puis à 3,3%, puis à 2,4%, puis à 1,9% en mars.

Pendant ce temps, depuis 2013, les itérations de plus en plus précises de la carte de fond des micro-ondes cosmiques de l’équipe Planck lui ont permis d’extrapoler toujours plus précisément la valeur de H0. Dans son analyse de 2018, Planck a trouvé que H0 était de 67,4 avec une précision de 1%. Avec Planck et SH0ES à plus de « quatre sigma” d’écart, un besoin désespéré s’est fait sentir pour des mesures indépendantes.

Tommaso Treu, l’un des fondateurs de H0LiCOW et professeur à l’Université de Californie à Los Angeles, rêvait depuis ses études à Pise de mesurer la constante de Hubble en utilisant la cosmographie à retard de temps – une méthode qui saute complètement les échelons de l’échelle de distance cosmique. Au lieu de cela, vous déterminez directement la distance aux quasars — les centres scintillants et lumineux des galaxies lointaines — en mesurant minutieusement le délai entre les différentes images d’un quasar qui se forment lorsque sa lumière se plie autour de la matière intermédiaire.