On parle beaucoup depuis quelques années de ce que l'on appelle la « tension de Hubble », car elle pourrait notamment impliquer une nouvelle physique et une nouvelle vision de l'énergie noire, dont on pense qu'elle accélère l'expansion du cosmos observable depuis 5 à 7 milliards d'années.

En revanche, on parle peu des implications de cette tension sur l'âge de l'Univers. C'est pourquoi il est intéressant d'examiner de plus près une récente prépublication sur arXiv, provenant d'une équipe dirigée par Indranil Banik, de l'Université de Portsmouth (Royaume-Uni).

Mais, revenons sur la notion même de tension de Hubble. Elle résulte de la détermination, par deux méthodes différentes, d'une fameuse constante contenue dans la loi de Hubble-Lemaître et qui permet de relier la distance d'une galaxie à la Voie lactée en fonction de la mesure d'un décalage spectral vers le rouge de la lumière émise par cette galaxie. C'est un effet de l'expansion de l'espace en relativité générale et non un effet Doppler, comme l'avait bien compris, le premier, Georges Lemaître.

Rayonnement fossile contre supernovae, qui a raison ?

Cette constante de Hubble-Lemaître, notée H₀, permet d'estimer un âge pour le cosmos observable et on peut la déduire des caractéristiques du rayonnement fossile émis plusieurs centaines de milliers d'années après le Big Bang et de l'étude des supernovae SN Ia dans des galaxies que l'on observe telles qu'elles étaient il y a quelques milliards d'années tout au plus.

Or, on trouve une différence d'environ 9 % entre les deux méthodes de mesure de H₀, ce qui veut dire qu'à partir du rayonnement fossile, on trouve comme âge de l'Univers environ 13,8 milliards d'années, alors qu'avec les supernovae, on trouve environ 12,5 à 12,9 milliards d'années.

Ces dernières années, les équipes prestigieuses derrière les deux méthodes, celle de la mission Planck et celle du prix Nobel Adam Riess, ont tellement vérifié leurs travaux qu'on ne croit plus guère à une erreur de mesure quelconque.

Il faudrait revoir notre description de l'Univers, soit depuis quelques milliards d'années, soit au cours, disons, des premières centaines de millions d'années de son histoire.

Une nouvelle physique ?

Une solution possible serait de faire varier la fameuse constante cosmologique accélérant l'expansion de l'espace - constante que l'on interprète généralement comme la manifestation d'une mystérieuse énergie noire dont la densité serait constante. Cette densité pourrait ne pas l'être dans le temps, ce qui est possible avec des modèles d'énergie noire variable.

On peut aussi arguer du fait que, depuis l'émission du rayonnement fossile environ 400 000 ans après le Big Bang, la matière noire s'est structurée en filaments enlaçant des zones de sous-densité dans lesquelles la matière baryonique normale des étoiles et des galaxies s'est effondrée, en suivant la gravitation des distributions de matière noire s'effondrant gravitationnellement les premières.

Bien évidemment, l'expansion de l'espace n'est pas affectée de la même manière par une distribution quasi uniforme de matière, comme c'était le cas juste après le Big Bang, que par une distribution beaucoup moins homogène depuis quelques milliards d'années, ce qui pourrait modifier suffisamment l'accélération de l'expansion pour expliquer la tension de Hubble.

Pour y voir plus clair, Indranil Banik et ses collègues ont déterminé l'âge de plus de 155 000 étoiles de la Voie lactée en utilisant des observations fournies par les instruments de Lamost (Large Sky Area Multi-Object Fiber Spectroscopic Telescope) et de la mission Gaia de l'Agence spatiale européenne (ESA).

Il se trouve que l'on sait assez bien calculer les changements de température, de luminosité et de composition chimique des petites étoiles à partir de modèles numériques issus de la théorie de l'évolution stellaire. Ces changements pour une étoile de masse donnée fournissent son âge. On peut notamment utiliser ces modèles pour générer ce que l'on appelle des isochrones stellaires permettant en plus de dater des amas stellaires, comme on apprend à le faire en suivant le DUAO de l'OCA.

Indranil Banik et ses collègues ont finalement trouvé que les étoiles les plus vieilles de la Voie lactée étaient âgées d'environ 13,73 milliards d'années (avec une faible incertitude d'environ +0,18/-0,15 milliard d'années). Ce chiffre concorde donc avec les prédictions fondées sur le rayonnement fossile, en supposant qu'environ 200 millions d'années aient été nécessaires pour que les premières étoiles se forment après le Big Bang.