Roman décolle samedi pour sonder l’énergie sombre dans un milliard de galaxies

Le télescope spatial romain décolle samedi en plein cœur du plus grand problème de mesure ouvert de la cosmologie : deux méthodes indépendantes pour mesurer la vitesse d’expansion de l’univers divergent de 8 pour cent. Mesurez le fond diffus cosmologique — la lumière émise 380 000 ans après le Big Bang — et le taux d’expansion ressort à environ 67 kilomètres par seconde par mégaparsec. Mesurez les étoiles céphéides et les supernovas de type Ia à proximité et vous obtenez environ 73. L’écart entre les deux est de 4 à 6 écarts-types. En physique, ce n’est pas une erreur d’arrondi. C’est le signe que quelque chose cloche dans le modèle standard.

Le télescope spatial Nancy Grace Roman, qui décollera à 7 h 26, heure de l’Est, depuis le centre spatial Kennedy à bord d’une fusée Falcon Heavy de SpaceX, est l’instrument le plus puissant jamais conçu pour découvrir quoi. Avec un miroir de 2,4 mètres — le même diamètre que celui de Hubble — et une caméra proche infrarouge de 300 mégapixels qui voit une portion de ciel 200 fois plus large que le champ de vision de Hubble, Roman peut construire les cartes à grande échelle de la distribution des galaxies que la tension actuelle exige.

Les preuves qui ont brisé le modèle standard

L’énergie noire a été identifiée en 1998 lorsque deux équipes indépendantes mesurant les distances et les vitesses de récession des supernovas de type Ia ont découvert que les galaxies lointaines s’éloignaient plus vite que ne le permettrait une expansion ralentie par la gravité. Cette observation a valu le prix Nobel 2011 et a introduit un terme — la constante cosmologique Λ — dans le modèle standard de la cosmologie. Λ postule que l’énergie noire est constante à la fois en densité et en caractère, une propriété fixe de l’espace lui-même.

Lecture recommandéeDESI ne cherchait pas à briser le modèle standard. Ses cartes l’ont fait.

Deux découvertes récentes ont compliqué ce tableau. L’instrument spectroscopique pour l’énergie noire (DESI) a publié des résultats montrant que les oscillations acoustiques des baryons — des motifs de densité périodiques figés dans la toile cosmique depuis 380 000 ans après le Big Bang — s’ajustent mieux aux données si l’intensité de l’énergie noire a changé au fil du temps. Cette découverte ne prouve pas une variation ; c’est un indice, et le cas statistique n’est pas encore concluant. Mais il s’agit du défi empirique le plus significatif lancé à Λ depuis le Nobel.

La tension de Hubble ajoute un second point de pression. Si le modèle standard est correct, les mesures de l’univers primordial et les mesures locales devraient converger vers le même taux d’expansion. Ce n’est pas le cas. L’analyse la plus récente utilisant les céphéides calibrées par JWST confirme la valeur locale proche de 73 km/s/Mpc. La valeur dérivée du fond diffus cosmologique reste proche de 67. L’écart ne s’est pas réduit avec davantage de données — il s’est creusé.

Ce que Roman va mesurer, et comment

Roman attaquera le problème de l’énergie noire par trois canaux indépendants.

Le premier est celui des supernovas de type Ia, qui servent de marqueurs de distance standardisables : chacune atteint une luminosité maximale prévisible qui révèle sa distance. Comparer la distance au décalage vers le rouge — l’étirement de la lumière d’une galaxie par l’expansion de l’univers — donne le taux d’expansion à cette époque cosmique. Roman devrait découvrir des milliers de supernovas par an sur une gamme de décalages vers le rouge bien plus large que les relevés au sol, cartographiant l’histoire de l’accélération de l’univers avec une précision que les instruments actuels ne peuvent approcher.

Le deuxième canal est celui des oscillations acoustiques des baryons. Ces ondes sonores de l’univers primordial ont laissé une échelle caractéristique imprimée dans la façon dont les galaxies se regroupent — une préférence statistique pour les paires de galaxies séparées d’environ 490 millions d’années-lumière. Cette échelle sert de « règle standard » : mesurez sa taille apparente à différents décalages vers le rouge et vous pouvez reconstruire l’histoire de l’expansion de l’univers à chaque époque cosmique. L’imagerie grand champ de Roman cartographiera des millions de galaxies, offrant une puissance statistique que les relevés actuels ne peuvent égaler.

Le troisième est le cisaillement gravitationnel faible : la légère distorsion des formes des galaxies d’arrière-plan par la masse des structures au premier plan. Le cisaillement retrace la façon dont la matière s’est agglomérée au fil du temps, ce qui est sensible à la fois à la densité de la matière noire et au comportement de l’énergie noire. Combiné aux données des supernovas et des BAO, le cisaillement fournit une vérification croisée qui peut isoler si un écart dans l’histoire de l’expansion est réel ou instrumental.

Comparé à ce qui a précédé

La caméra infrarouge de Hubble couvre environ 10 minutes d’arc carrées par exposition. Roman couvre environ 0,28 degré carré — soit environ 100 fois la surface à résolution et profondeur comparables. Son instrument grand champ verra des portions de ciel qu’il faudrait des années à Hubble pour étudier en quelques semaines. JWST offre une profondeur extraordinaire mais un champ de vision similaire à celui de Hubble ; JWST est le microscope, Roman est l’objectif grand angle. Euclid de l’ESA, lancé en 2023 et déjà en train de renvoyer des données, couvre un champ plus large que Roman mais à une résolution et une profondeur spatiales inférieures ; les deux missions sont censées se compléter.

La différence d’échelle est l’argument central de la mission. Mesurer les propriétés de l’énergie noire avec la précision nécessaire pour distinguer une véritable constante cosmologique d’une énergie en évolution nécessite des échantillons statistiques de millions d’objets. La tension de Hubble ne peut être résolue avec de petits relevés — elle exige un recensement.

Ce que Roman ne tranchera pas

Les mesures de Roman resserreront considérablement les contraintes sur l’énergie noire, mais elles ne résoudront pas toutes les questions qui s’y rattachent actuellement. L’instrument ne peut pas détecter directement l’énergie noire — il mesure ses effets sur des quantités observables, et ces mesures comportent leurs propres incertitudes systématiques. L’étalonnage des supernovas de type Ia, par exemple, dépend des mesures de distance des céphéides, qui dépendent elles-mêmes de la façon dont les propriétés de pulsation de ces étoiles sont affectées par leur environnement chimique. Cette chaîne d’étalonnage est précisément l’endroit où réside actuellement la tension de Hubble.

Si les données de Roman réduisent l’écart H0 — rapprochant les mesures de l’univers primordial et local — cela suggérera que la tension provenait d’une erreur systématique non prise en compte dans les mesures antérieures. Si l’écart persiste ou se creuse après l’étalonnage amélioré de Roman, ce serait une preuve solide que le modèle standard est véritablement incomplet. Ce résultat serait le plus conséquent, mais il ne nommerait pas lui-même ce qui cloche — seulement confirmer que quelque chose cloche.

Jason Rhodes, cosmologiste au Jet Propulsion Laboratory de la NASA impliqué dans la mission, a décrit le paysage actuel sans détour : « Nous commençons à voir des tensions entre les mesures de l’univers primordial et les mesures de l’univers tardif. » Roman a été conçu spécifiquement pour que ces tensions disparaissent ou se durcissent en une anomalie confirmée.

La mise en service prend environ 90 à 100 jours après le lancement ; les opérations scientifiques devraient commencer début 2027. Le télescope fonctionnera au point de Lagrange L2, à environ 1,5 million de kilomètres de la Terre, où JWST orbite déjà. La mission principale s’étend sur cinq ans.

Questions courantes sur le télescope Roman et l’énergie noire

Qu’est-ce que l’énergie noire, exactement ?
L’énergie noire est le nom donné à la cause inconnue de l’expansion accélérée de l’univers. Elle représente environ 68 pour cent du contenu énergétique total de l’univers selon les estimations actuelles, mais sa nature physique reste inconnue. Le modèle le plus simple la traite comme une densité d’énergie constante inhérente à l’espace vide. Des modèles plus complexes lui permettent de changer au fil du temps ou de différer en caractère de la constante cosmologique. Roman est conçu pour distinguer ces possibilités.

Qu’est-ce que la tension de Hubble ?
La constante de Hubble (H0) mesure la vitesse à laquelle l’univers s’étend actuellement. Deux grandes catégories de mesures — l’une utilisant le fond diffus cosmologique comme point de départ, l’autre utilisant des chandelles standard proches comme les étoiles céphéides et les supernovas — donnent systématiquement des valeurs différentes, proches de 67 et 73 km/s/Mpc respectivement. L’écart est statistiquement suffisamment significatif pour ne pas pouvoir être expliqué de manière plausible par le hasard, mais sa cause n’est pas résolue.

En quoi Roman diffère-t-il du télescope spatial James Webb ?
JWST est optimisé pour des observations profondes à champ étroit d’objets individuels avec une sensibilité extraordinaire. Roman a la même taille de miroir que Hubble mais un champ de vision 100 à 200 fois plus large ; il échange la profondeur contre la largeur. Les deux télescopes sont conçus pour fonctionner ensemble : Roman trouve et étudie à grande échelle, JWST suit sur des cibles spécifiques en détail.

Pourquoi l’énergie noire importe-t-elle au-delà de la cosmologie ?
L’énergie noire détermine le destin à long terme de l’univers. Si elle est vraiment constante, l’univers continuera de s’accélérer indéfiniment, séparant finalement les galaxies au-delà de la portée de la lumière les unes des autres. Si l’énergie noire change au fil du temps — ou s’inverse — la trajectoire change. Les mesures de Roman contraindront lequel de ces scénarios est physiquement plausible.

Si la tension de Hubble survit à l’examen de Roman, la cosmologie aura besoin d’un nouveau modèle — un modèle capable d’expliquer pourquoi les signatures les plus anciennes et les plus récentes de l’expansion de l’univers ne concordent plus.

Étiquettes: astronomy, nasa, cosmology, Dark Matter, dark energy, Hubble tension

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