La Tension de Hubble

Deux méthodes fondamentalement différentes de mesure du taux d'expansion de l'univers donnent des réponses qui diffèrent au niveau de 5 déviations standard ou plus. Les mesures de l'univers primordial (à partir du fond diffus cosmologique, en supposant $\Lambda$CDM) donnent $H_0 \approx 67.4$ km/s/Mpc. Les mesures de l'univers tardif (à partir de l'échelle des distances cosmiques) donnent $H_0 \approx 73.0$ km/s/Mpc. C'est soit l'anomalie la plus importante de la cosmologie moderne, soit l'erreur systématique la plus persistante de l'histoire de la mesure de précision.

Comment Fonctionnent les Mesures

La méthode de l'univers primordial : le CMB de Planck en détail

Le CMB fournit un instantané de l'univers à $z \approx 1100$. La taille angulaire de l'horizon sonore (la distance maximale que le son a pu parcourir dans l'univers primordial) sert de règle standard. Étant donné un modèle cosmologique ($\Lambda$CDM), cela contraint $H_0$ très précisément. La mesure dépend de l'hypothèse que $\Lambda$CDM est le modèle correct.

L'horizon sonore physique $r_s$ à la recombinaison dépend du rapport baryon-photon et du contenu en rayonnement de l'univers primordial. Sa valeur est d'environ 147 Mpc. L'échelle angulaire à laquelle il apparaît dans le ciel dépend de la distance de diamètre angulaire à la surface de dernière diffusion, qui elle-même dépend de $H_0$ et de tous les autres paramètres cosmologiques. Le satellite Planck a mesuré les spectres de puissance en température et en polarisation du CMB avec une précision exquise à travers les multipôles $\ell = 2$ à $\ell \approx 2500$. L'ajustement $\Lambda$CDM à six paramètres résultant donne :

Cette mesure est très précise (0.8% d'incertitude) mais elle est dépendante du modèle : si $\Lambda$CDM est faux (par exemple, s'il y a de l'énergie noire primordiale ou des espèces relativistes supplémentaires), le $H_0$ inféré change. Le CMB ne mesure pas $H_0$ directement ; il mesure $\theta_s = r_s/d_A$, et $H_0$ est dérivé du modèle.

L'échelle des distances : SH0ES en détail

La mesure locale construit une chaîne d'indicateurs de distance :

• Échelon 1 (Ancres) : Distances géométriques vers des calibrateurs proches. L'équipe SH0ES utilise trois ancres indépendantes : NGC 4258 (distance par maser à eau, $d = 7.58 \pm 0.11$ Mpc), le Grand Nuage de Magellan (distance par binaires à éclipses détachées, $d = 49.59 \pm 0.54$ kpc), et les céphéides de la Voie Lactée avec les parallaxes Gaia EDR3
• Échelon 2 (Céphéides) : Étoiles variables céphéides dans 37 galaxies qui hébergent aussi des supernovae de type Ia. La loi de Leavitt (relation période-luminosité) lie la période de la céphéide à sa magnitude absolue, permettant la calibration entre galaxies
• Échelon 3 (Supernovae) : Supernovae de type Ia dans le flux de Hubble ($0.023 < z < 0.15$), où la vitesse de récession est dominée par l'expansion de Hubble plutôt que par les vitesses particulières locales

Chaque échelon calibre le suivant. Le résultat est une mesure directe, indépendante du modèle, de $H_0$, mais qui dépend de la compréhension des propriétés systématiques de chaque indicateur de distance. Le résultat SH0ES 2022 combine les trois ancres :

TRGB : un indicateur de distance indépendant

La pointe de la branche des géantes rouges (TRGB) est un indicateur de distance alternatif. Les étoiles géantes rouges dans les populations vieilles et pauvres en métaux subissent un flash de l'hélium à une luminosité presque universelle, créant une coupure nette dans la fonction de luminosité à $M_I \approx -4.05$ mag. Comme les étoiles TRGB se trouvent dans les halos peu encombrés des galaxies (plutôt que dans les disques poussiéreux), elles sont moins susceptibles aux systématiques d'encombrement et d'extinction que les céphéides.

Significativité statistique de la tension

La tension entre Planck et SH0ES atteint environ $5\sigma$ en comparant les distributions postérieures gaussiennes. Cela correspond à une probabilité de moins de 1 sur 3.5 millions de se produire par hasard. Cependant, la significativité dépend des hypothèses :

• Si la valeur basée sur le TRGB ($H_0 \approx 69.8$) est utilisée au lieu de SH0ES, la tension diminue à $\sim 2\sigma$
• Si l'on autorise des incertitudes systématiques non gaussiennes (propriétés des céphéides dépendantes de la population), la significativité effective peut être plus faible
• La significativité fréquentiste ($5\sigma$) et la comparaison bayésienne de modèles (facteur de Bayes) peuvent donner des évaluations différentes

JWST a Approfondi le Mystère

Le télescope spatial James Webb devait résoudre la tension en vérifiant si l'encombrement, la poussière ou d'autres effets systématiques biaisaient les mesures des céphéides. Au contraire, JWST a confirmé que les céphéides de SH0ES sont fiables, éliminant les principaux candidats d'erreur systématique à haute significativité. La tension est devenue plus robuste, pas moins.

L'instrument NIRCam du JWST observe dans le proche infrarouge (1-5 $\mu$m), où l'extinction par la poussière est réduite d'un facteur $\sim 7$ par rapport aux longueurs d'onde optiques et où l'encombrement stellaire est bien moins sévère. L'équipe SH0ES a réobservé les céphéides de plusieurs galaxies calibratrices avec le JWST et a trouvé que la photométrie HST et JWST concordait à 0.01 mag près, confirmant que l'encombrement ne biaisait pas les mesures du HST. Riess et al. (2024) ont rapporté $H_0 = 72.6 \pm 2.0$ km/s/Mpc à partir des céphéides JWST seules.

Autres méthodes indépendantes

Au-delà des céphéides et du TRGB, plusieurs méthodes indépendantes fournissent des mesures de $H_0$ avec une précision variable :

• Délais temporels de lentilles fortes (H0LiCOW/TDCOSMO) : La mesure du délai temporel entre les images multiples d'un quasar lentillé donne $H_0 = 73.3^{+1.7}_{-1.8}$ km/s/Mpc, cohérent avec l'échelle des distances. Cependant, ce résultat dépend du profil de masse supposé de la galaxie-lentille
• Distances par mégamaser : Les masers à eau dans les disques d'accrétion de galaxies actives fournissent des distances géométriques indépendantes de toute chaîne de calibration. Le Megamaser Cosmology Project donne $H_0 = 73.9 \pm 3.0$ km/s/Mpc
• Sirènes standard d'ondes gravitationnelles : La fusion d'étoiles à neutrons GW170817 a fourni $H_0 = 70.0^{+12}_{-8}$ km/s/Mpc. La précision actuelle est trop faible pour discriminer, mais les futures détections avec LIGO/Virgo/KAGRA et le Télescope Einstein atteindront une précision au pour cent
• Fluctuations de brillance de surface (SBF) : Jensen et al. ont construit une échelle de distances sans céphéides ni supernovae en utilisant les SBF et ont obtenu $H_0 = 73.8 \pm 2.1$ km/s/Mpc

La Valeur Intermédiaire

Le programme Carnegie-Chicago de Hubble (CCHP) de Freedman utilise la méthode TRGB calibrée avec les données JWST et obtient $H_0 = 70.4 \pm 1.8$ km/s/Mpc. Cela se situe entre les valeurs de Planck et de SH0ES, avec des barres d'erreur chevauchant les deux. Que cela représente la vraie valeur ou soit lui-même sujet à des problèmes de calibration reste activement débattu.

Le CCHP a aussi mesuré $H_0$ en utilisant la méthode JAGB (J-region Asymptotic Giant Branch), une chandelle standard à étoiles carbonées, obtenant une valeur intermédiaire cohérente. Cependant, l'équipe Riess/SH0ES a contesté la calibration TRGB du CCHP, arguant que le choix de la coupure en couleur et du point zéro de calibration explique le désaccord. Ce débat reste non résolu et illustre comment des choix systématiques subtils se propagent à travers l'échelle des distances.

Principales Explications Théoriques

Si la tension est réelle (et non une erreur systématique), elle implique que $\Lambda$CDM est incomplet. Les solutions proposées les plus prometteuses incluent :

Énergie Noire Primordiale

Un bref épisode d'énergie noire près de l'époque de la recombinaison ($z \approx 1100$) pourrait réduire l'horizon sonore, décalant le $H_0$ inféré du CMB vers le haut. Le modèle canonique (Poulin et al., 2019) postule un champ ultra-léger de type axion qui contribue environ 10% de la densité d'énergie vers $z \approx 3500$ puis se dilue rapidement. L'horizon sonore se réduit d'environ 5%, et le $H_0$ inféré augmente à $\sim 71$ km/s/Mpc, réduisant la tension à environ $2\sigma$.

Cependant, l'énergie noire primordiale introduit de nouveaux problèmes. Elle aggrave la tension $S_8$ car la densité d'énergie supplémentaire change la croissance des structures. Elle est aussi contrainte par les mesures de la forêt Lyman-$\alpha$ et par la forme détaillée de la queue d'amortissement du CMB aux multipôles élevés. Le modèle nécessite un ajustement fin de la masse du champ ($m \sim 10^{-27}$ eV) et du déplacement initial du champ.

Espèces relativistes supplémentaires

L'ajout de rayonnement supplémentaire (paramétrisé par $\Delta N_{\text{eff}}$) accélère l'expansion primordiale, réduit l'horizon sonore et augmente le $H_0$ inféré. Une augmentation de $\Delta N_{\text{eff}} \approx 0.4$ peut amener $H_0$ jusqu'à $\sim 69$ km/s/Mpc. Cependant, cela est contraint par la nucléosynthèse primordiale (BBN), qui limite $N_{\text{eff}} < 3.4$ à 95% de confiance, et par la queue d'amortissement du CMB. Le rayonnement supplémentaire seul ne peut pas résoudre complètement la tension.

Masse de l'Électron Variable

Si la masse de l'électron était environ 1% plus grande à la recombinaison ($\Delta m_e / m_e \approx 0.01$), cela modifierait l'historique de la recombinaison en changeant l'énergie de liaison de l'hydrogène et la section efficace de diffusion Thomson. Cela décale l'époque de la recombinaison et change le $H_0$ inféré. Combinée avec les données DESI, cette proposition amène $H_0$ à environ 69.6 km/s/Mpc. La proposition est favorisée à $2\text{-}3.6\sigma$ par les données du CMB mais ne peut pas combler l'écart complètement seule.

Secteur Sombre en Interaction

Les modèles combinant l'énergie noire primordiale avec des interactions entre matière noire et énergie noire (iDEDM) peuvent potentiellement traiter simultanément les tensions $H_0$ et $S_8$. Dans ces modèles, la matière noire se désintègre ou interagit avec l'énergie noire, modifiant l'historique d'expansion tardif et le taux de croissance des structures. Le modèle iDEDM d'Allali et al. atteint $H_0 \approx 72$ km/s/Mpc tout en gardant $S_8$ cohérent avec les mesures de lentille faible. Ils restent spéculatifs mais représentent le cadre théorique le plus complet.

Solutions de l'univers tardif

Une approche alternative modifie l'historique d'expansion aux faibles décalages vers le rouge ($z < 2$) plutôt qu'à la recombinaison. Celles-ci incluent l'énergie noire évolutive (comme le suggère DESI), un vide local (l'hypothèse du vide KBC, où nous vivons dans une sous-densité de $\sim 300$ Mpc), ou une transition dans l'équation d'état de l'énergie noire. Les solutions de l'univers tardif font face à une difficulté générique : les mesures BAO à $0.1 < z < 2.5$ contraignent étroitement $H(z)$ aux décalages vers le rouge intermédiaires, laissant peu de marge pour des modifications qui ne soient pas aussi en conflit avec ces contraintes.

La Vue d'Ensemble

La tension de Hubble n'existe pas isolément. Conjuguée aux indices de DESI sur l'énergie noire et aux conjectures du marécage, elle pourrait pointer vers une conclusion unique : $\Lambda$CDM n'est pas le dernier mot de la cosmologie. L'historique d'expansion de l'univers est plus complexe que ce qu'une simple constante cosmologique peut accommoder.

Ce Qui la Résoudra

• Résultats primaires d'Euclid (2026) : Contraintes indépendantes sur l'historique d'expansion
• CMB-S4 et Observatoire Simons : Mesures CMB de nouvelle génération avec des incertitudes systématiques réduites
• Recalibration complète du JWST : Les 37 galaxies calibratrices de SH0ES réobservées avec le JWST
• Données DESI supplémentaires : Mesures BAO plus précises pour contraindre l'équation d'état de l'énergie noire