L'expansion de l'Univers

En 1995, le champ profond de Hubble couvrait une zone du ciel d'environ 1/13 de la largeur de la pleine Lune et y a révélé quelque 3000 galaxies.

Des galaxies qui s'éloignent les unes des autres

Lorsqu'on décompose la lumière d'une galaxie en un spectre, on retrouve les raies sombres caractéristiques de l'hydrogène, du calcium et d'autres éléments. Mais, pour presque toutes les galaxies, elles sont décalées vers l'extrémité rouge du spectre. Ce décalage vers le rouge signifie que la galaxie s'éloigne de nous. La NASA explique que Hubble a mis en relation les distances des galaxies, mesurées grâce aux céphéides, et ces décalages. Il a constaté que le décalage augmentait proportionnellement à la distance : une galaxie deux fois plus éloignée s'éloigne deux fois plus vite. Deux ans avant la publication de Hubble, le physicien belge Georges Lemaître avait déjà analysé les observations de Hubble et de Vesto Slipher et conclu que l'Univers était en expansion. Cette relation porte aujourd'hui le nom de loi de Hubble-Lemaître.

Sous forme de formule : vitesse = H₀ × distance. H₀, la constante de Hubble, s'exprime en kilomètres par seconde par mégaparsec ; un mégaparsec vaut 3.26 millions d'années-lumière. Avec H₀ = 70, une galaxie située à 100 mégaparsecs s'éloigne à environ 7000 km/s. Cela ne signifie pas que les galaxies se déplacent dans l'espace en s'éloignant spécialement de nous. C'est l'espace lui-même qui s'étire : chaque galaxie voit donc les autres s'éloigner, comme les raisins d'un pain qui gonfle s'écartent tous les uns des autres. Les galaxies proches peuvent échapper à cette tendance : Andromède, liée à nous par la gravitation, se rapproche.

La tension de Hubble

Remonter le cours de l'expansion permet d'estimer l'âge de l'Univers. L'inverse de H₀ a la dimension d'un temps ; pour H₀ = 70, il vaut environ 14 milliards d'années, une valeur proche des 13.8 milliards d'années indiqués par la NASA à partir de modèles détaillés. Pourtant, deux familles de mesures ne s'accordent pas. L'ajustement des motifs du fond diffus cosmologique mesuré par le satellite Planck de l'ESA donne 67.4 ± 0.5 km/s par mégaparsec. La mesure directe des distances à l'aide des céphéides et des supernovas de type Ia, avec Hubble, donne environ 73. L'écart est d'environ 8 %, bien supérieur aux incertitudes annoncées par les deux équipes, et l'amélioration des données ne l'a pas fait disparaître. Les astronomes parlent de tension de Hubble. Elle pourrait révéler des phénomènes physiques encore mal compris.

Combien de galaxies ?

En 2016, une équipe dirigée par Christopher Conselice a utilisé les relevés de Hubble et d'autres programmes, ainsi que des modèles de galaxies trop peu lumineuses pour être observées. Elle a conclu qu'il y en avait au moins 10 fois plus : environ 2 billions de galaxies existent ou ont existé dans l'Univers observable. La plupart étaient petites et ont fusionné depuis longtemps pour former des galaxies plus grandes. Une étude de 2021 utilisant la sonde New Horizons de la NASA, loin de l'éclat du Soleil, a mesuré à quel point l'espace est sombre. La NASA a ensuite corrigé son annonce : ces mesures imposent des limites à la lumière totale provenant des galaxies, et non à leur nombre. En résumé, les estimations vont de centaines de milliards à environ deux billions, selon la façon de prendre en compte les galaxies les moins lumineuses.