Les densités d’énergie offrent un nouveau chemin pour résoudre la tension Hubble

Des chercheurs de l’Université de Waterloo ont proposé une nouvelle méthode pour mesurer la constante de Hubble qui pourrait aider à résoudre l’un des puzzles pressants de la cosmologie moderne: la tension Hubble.

L’étude publiée dans Lettres d’examen physique vise à résoudre la tension Hubble, une écart entre la valeur de la constante Hubble (H₀) de la méthode locale (échelle de distance) et de la méthode de fond micro-ondes cosmiques (CMB).

Phys.org s’est entretenu avec le premier auteur de l’étude, le Dr Alex Krolewski, chercheur postdoctoral à l’Université de Waterloo.

“La tension de Hubble entre les mesures précoces, à grande échelle et locale, en retard du taux d’expansion de l’univers, a maintenant atteint le niveau des 5 sigma! Il s’agit d’une probabilité de moins de 0,0000003 de se produire par hasard”, a expliqué le Dr Krolewski.

La méthode d’échelle de distance donne une valeur de 73 km / s / MPC (kilomètres par seconde par Megaparsec), tandis que la méthode CMB donne 67 km / s / MPC. Cette différence est significative et indique une lacune dans notre compréhension.

L’horizon sonore

La méthode d’échelle de distance utilise des objets à proximité comme les étoiles variables Cepheid et les supernovas de type 1a comme bougies, c’est-à-dire des objets dont la luminosité nous est connue. Les distances de ces objets et de leurs décalages vers le rouge sont mesurées, qui peuvent être utilisées pour calculer la constante de Hubble.

D’un autre côté, les méthodes utilisant CMB reposent sur Sound Horizon, une mesure standard en cosmologie. C’est une mesure de la distance maximale parcourue par des ondes sonores dans l’univers précoce avant le découplage de la lumière et de la matière.

Ces approches obligent les chercheurs à faire des hypothèses sur le modèle λCDM, le meilleur modèle cosmologique de l’univers aujourd’hui.

Cela a conduit les chercheurs à modifier la physique précoce de l’univers pour réduire l’horizon sonore, ce qui augmente la valeur de la constante de Hubble dérivée des données CMB, abaissant l’écart. Le problème ici est la dépendance à l’horizon sonore et donc le modèle λcdm. Le Dr Krolewski et son équipe visaient à éliminer ce problème.

“Notre nouvelle méthode estime plutôt la densité d’énergie totale de l’univers ou de la densité critique, qui est directement liée au taux d’expansion. Comme John Archibald Wheeler l’a dit,” Spacetime dit à Matter comment bouger; la matière dit à l’espace-temps comment se courber “”, a expliqué le Dr Krolewski.

Mesures de fraction baryonique

L’approche des chercheurs est une méthode complètement nouvelle pour mesurer la constante de Hubble à partir d’observations de structure à grande échelle à faible décalage et à grande échelle indépendantes de l’horizon sonore.

Leur méthode combine quatre mesures indépendantes pour calculer la constante de Hubble.

Ce sont la densité physique des photons à partir de la température CMB, le rapport baryon / photon dérivé de l’abondance du deutérium primordial, la fraction baryon de l’amplitude des oscillations acoustiques de Baryon dans les mesures de la galaxy et de la densité géométrique à partir des mesures d’alcock-Paczynski.

“Notre méthode est basée sur le bootstrap des densités d’énergie bien connues des photons et de la matière ordinaire à la densité d’énergie totale de l’univers”, a déclaré le Dr Krolewski.

L’innovation dans leur méthode réside dans l’extraction de la fraction baryon à partir des données de clustering de galaxies, un paramètre qui est généralement négligé dans les analyses standard.

Cette mesure indique le rapport de la matière ordinaire (ou baryonique) à la matière totale (qui comprend la matière noire) dans l’univers. Ce paramètre serait l’unité si toute la question dans l’univers était baryonique et zéro si tout le problème était de la matière noire.

L’approche de l’horizon sonore utilise des données sur la distribution des oscillations acoustiques Baryon (BAO), qui sont des ondulations dans la distribution de matière. D’un autre côté, la mesure de la fraction baryonique se concentre sur la force de ces ondulations, ce qui la rend indépendante de l’horizon sonore.

Contraintes de resserrement

Les chercheurs ont utilisé leur approche sans horizon sonore et l’ont testée sur les données de l’étude spectroscopique d’oscillation Baryon Oscillation du Sloan Digital Survey (BOSS DR12).

Leur méthode a donné une valeur constante de Hubble de 67,1 km / s / MPC avec une incertitude de + 6,3 / −5,3. Cette valeur est cohérente avec les deux mesures, et ne favorise donc aucun des deux côtés de la tension.

“Nous avons testé notre méthode sur les enquêtes Mock Galaxy avec différents modèles cosmologiques et avons constaté que nous étions toujours en mesure de récupérer la valeur correcte du taux d’expansion. Dans l’ensemble, notre méthode est très robuste aux incertitudes systématiques”, a noté le Dr Krolewski.

Bien que leurs résultats ne résolvent pas définitivement la tension Hubble, les enquêtes futures comme l’instrument spectroscopique d’énergie noire (DESI) et le satellite Euclide devraient améliorer les contraintes.

“Desi et Euclid mesureront la caractéristique BAO dans la distribution de la galaxie à la précision de sous-cent.

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