UNE SUPERNOVA, CINQ IMAGES, LE RYTHME DE L'EXPANSION

À quelle vitesse l’Univers s’étend-il aujourd’hui ? Le nombre qui répond est la constante de Hubble, H0. Deux des principales façons de la mesurer — une « échelle » de distances vers des étoiles et galaxies proches, et la faible lueur de l’Univers jeune, le fond diffus cosmologique — donnent actuellement des valeurs nettement différentes. Cet écart, la tension de Hubble, est l’une des grandes questions ouvertes de la cosmologie.

Il existe une troisième voie, indépendante des deux.

Une lentille cosmique avec une horloge intégrée

Quand un objet très massif — une galaxie ou tout un amas de galaxies — se trouve devant une source lointaine, sa gravité dévie la lumière et peut dédoubler la source en plusieurs images. C’est l’effet de lentille gravitationnelle forte. Les rayons lumineux suivent des chemins de longueurs différentes. Si la source change d’éclat, les images changent l’une après l’autre.

Ces délais dépendent de la masse de la lentille et des distances cosmiques — donc de H0. L’idée a été proposée par Refsdal en 1964, avec des supernovae vues en plusieurs images.

La première supernova de ce genre, aujourd’hui appelée SN Refsdal, a été découverte en 2014 derrière l’amas de galaxies MACS J1149.5+2223. Elle est d’abord apparue en quatre images autour d’une galaxie de l’amas ; une cinquième, prédite par les modèles, était attendue environ un an plus tard. Parmi les délais mesurés, l’un atteint 376 jours entre deux images.

77 000 pixels au lieu de quelques points

La difficulté est de savoir exactement comment la masse de l’amas est répartie. Jusqu’ici, les modèles n’utilisaient que les positions des images multiples de galaxies d’arrière-plan. Stefan Schuldt, de l’université de Turku et de l’université de Milan, et ses collègues d’Italie, d’Allemagne, d’Espagne et de Finlande, sont allés plus loin.

Leur modèle comprenait déjà 308 galaxies de l’amas, des halos de matière noire, et plus de 100 images multiples de 17 sources d’arrière-plan. Ils y ont ajouté la forme et la brillance complètes de la galaxie qui abritait la supernova : 77 000 pixels du télescope spatial Hubble. C’est la première mesure de paramètres cosmologiques avec ce type de modèle pour un amas de galaxies.

Par prudence, ils ont testé quatre façons de pondérer les données et compté les écarts entre elles comme une incertitude supplémentaire.

Une mesure à 3 %

• H0 = 65,0 (+2,0 / −1,8) kilomètres par seconde et par mégaparsec, avec la teneur en matière de l’Univers, Ωm = 0,30, mesurée en même temps.
• L’incertitude est de 3,0 % : la valeur la plus précise jamais obtenue avec une seule lentille forte, devant un résultat à 3,9 % tiré d’un quasar à images multiples.
• L’ajout des pixels divise l’incertitude par 2,0 par rapport au même modèle n’utilisant que les positions des images.
• Toutes les versions du modèle concordent entre elles et avec les études précédentes de SN Refsdal.

La valeur s’accorde avec celle du fond diffus cosmologique mesurée par la mission Planck, et avec une autre supernova à images multiples, SN Encore. Elle s’écarte davantage de la valeur de l’échelle des distances de l’équipe SH0ES.

L’incertitude due au modèle de masse est maintenant comparable à celle du plus long délai. Autrement dit, c’est l’horloge, et non plus la carte, qui limite la précision.

Ce qui pourrait encore faire bouger le chiffre

Les auteurs détaillent ce que leurs 3 % n’incluent pas. Ils ont gardé fixe la recette de masse de l’amas pour que la comparaison avec les anciens modèles soit équitable : les détails de cette recette ne sont donc pas comptés comme incertitudes. Un angle mort connu des lentilles, la « dégénérescence de la nappe de masse », n’est que partiellement maîtrisé. Et si les lignes de visée à travers les amas de galaxies étaient plus vides que la moyenne, les lentilles d’amas sous-estimeraient H0.

Le prochain test est proche : une autre supernova à images multiples, SN Requiem, devrait réapparaître en 2026 ou 2027, une dizaine d’années après sa première détection. Son délai devrait être mesuré très précisément et, avec un modèle comme celui-ci, pourrait donner H0 à quelques pour cent près. L’observatoire Rubin devrait découvrir beaucoup d’autres supernovae de ce type.