Constante de Hubble

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Page d'aide sur l'homonymie Pour les articles homonymes, voir Paramètre (homonymie), Hubble et H0.

La constante de Hubble (H0) est le nom donné, en cosmologie, à la constante de proportionnalité existant aujourd'hui entre distance et vitesse de récession apparente des galaxies dans l'univers observable. Elle est donc reliée à la fameuse Loi de Hubble décrivant l'expansion de l'Univers. Elle donne le taux d'expansion actuel de l'univers. Son nom a été donné en l'honneur de l'astronome américain Edwin Hubble qui a été le premier à la mettre clairement en évidence en 1929 grâce à ses observations effectuées à l'observatoire du Mont Wilson.

Bien que dénommée « constante », ce paramètre cosmologique varie en fonction du temps. Il décrit donc le taux d'expansion de l'univers à un instant donné.

Terminologie[modifier | modifier le code]

En toute rigueur, il convient de distinguer la constante de Hubble, le paramètre de Hubble et le taux d'expansion.

La constante de Hubble est valeur actuelle du paramètre de Hubble. Le taux d'expansion est l'expression, pourcentage, de la valeur du paramètre de Hubble.

Notation[modifier | modifier le code]

La constante de Hubble est notée H0, notation composée de la lettre latine H majuscule, initiale du nom patronymique d'Edwin Hubble et symbole usuel du paramètre de Hubble, suivie, à droite et en indice, du chiffre arabe zéro.

Dimension et unités[modifier | modifier le code]

La dimension de la constante de Hubble est celle de l'inverse d'un temps.

Son unité SI est la seconde à la puissance moins un (s-1).

Mais il est d'usage de l'exprimer en kilomètres par seconde par mégaparsec (km/s/Mpc ou km⋅s-1⋅Mpc-1), sous la forme suivante :

,

est le taux d'expansion.

Valeur de la constante de Hubble[modifier | modifier le code]

Les observations actuelles concordent approximativement vers une valeur tournant autour de 70 (km/s)/Mpc[1]. Cela signifie qu'une galaxie située à 1 mégaparsec (environ 3,26 millions d'années-lumière) de l'observateur s'éloigne du fait de l'expansion de l'univers (et donc hors effet d'un mouvement propre de l'objet, négligeable à très grande distance) à une vitesse de 70 km/s. Une galaxie située à 10 Mpc s'éloigne à une vitesse de 700 km/s, etc.

Une conséquence a priori surprenante de la loi de Hubble est qu'une galaxie qui serait située à plus de 4 000 Mpc (14 milliards d'années-lumière) s'éloignerait de nous à une vitesse supérieure à la vitesse de la lumière. Ceci indique simplement que l'interprétation en termes de mouvement des galaxies dans l'espace devient impropre à très grande distance. La relativité générale explique qu'il faut considérer que l'on est en présence d'une expansion de l'espace lui-même. Voir Expansion de l'Univers pour plus de détails.

Mesure de la constante de Hubble[modifier | modifier le code]

La valeur de la constante de Hubble est estimée à partir de la mesure de deux paramètres concernant des objets lointains. D'une part, le décalage vers le rouge (redshift) permet de connaître la vitesse à laquelle des galaxies lointaines s'éloignent de nous (à grande distance on peut négliger le mouvement propre). D'autre part on mesure la distance de ces galaxies. Cette deuxième mesure est délicate à réaliser ce qui cause de grandes incertitudes sur la valeur de la constante de Hubble. Pendant la majeure partie de la seconde moitié du XXe siècle était estimé entre 50 et 90 (km/s)/Mpc.

Le modèle ΛCDM[modifier | modifier le code]

Les mesures récentes de la constante de Hubble reposent sur différentes versions du modèle cosmologique ΛCDM qui, combiné à des données d'observation sur des amas de galaxies lointains en rayons X et micro-ondes (à l'aide de l'effet Sunyaev-Zel'dovich), à des mesures d'anisotropie du fond diffus cosmologique et à des observations optiques, permet d'obtenir des estimations relativement précises de la constante de Hubble. Ces différentes méthodes convergent toutes vers une valeur autour de 73 (km/s)/Mpc pour la constante de Hubble. Des mesures encore plus récentes faites par Florian Beutler (en Australie) à partir de calculs sur les grappes (cluster) de galaxies ont précisé cette constante évaluée à l'été 2011 à 67,0 avec une précision de ±3,2 (km/s)/Mpc

Données du télescope spatial Hubble[modifier | modifier le code]

Un groupe de recherche a utilisé le télescope spatial Hubble pour établir la valeur de la constante de Hubble la plus précise dans le domaine optique, en mai 2001[2]. Celle-ci est égale à 72 ± 8 (km/s)/Mpc.

La méthode utilisée comporte deux étapes. Tout d'abord, des mesures très précises du télescope spatial sur des céphéides permettent de déterminer la distance de nombreuses galaxies dans un rayon de 30 Mpc. Les céphéides étant de simples étoiles elles ne peuvent pas être observées à de très grandes distances, en tout cas pas à des distances adaptées à une mesure de . Dans une deuxième étape les données précédentes sont utilisées pour calibrer des mesures de distances sur des galaxies beaucoup plus lointaines (dans un rayon de 400 Mpc), obtenues par des méthodes différentes :

  • mesure de luminosité de supernovae ;
  • mesure de la luminosité globale de galaxies spirales et mise en rapport avec leur vitesse de rotation (loi de Tully-Fisher) ;
  • mesure de la luminosité globale de galaxies elliptiques et mise en rapport avec leur vitesse de dispersion (utilisation du plan fondamental pour la mesure de distances) ;
  • etc.

C'est finalement la distance de ces galaxies très lointaines, et la mesure de leur vitesse d'échappement (que l'on considère à cette échelle uniquement due à l'expansion de l'univers) par la méthode du redshift qui donne une valeur approximative de .

Données du satellite WMAP[modifier | modifier le code]

Les estimations les plus précises faites à partir de mesures sur le fond diffus cosmologique ont été obtenues grâce aux données du satellite WMAP et donnent plusieurs valeurs :

  • 71 ± 4 (km/s)/Mpc. À partir des données de 2003, un an après mise en service du satellite.
  • 70,4+1.5−1.6 (km/s)/Mpc. Données de 2006 après 3 ans d'exploitation[3].
  • Finalement les mesures les plus récentes, en 2008, donnent une valeur de 71,9+2.6−2.7 (km/s)/Mpc[4].

Ces valeurs sont obtenues en mettant en rapport les données WMAP avec d'autres données cosmologiques dans une version simplifiée du modèle ΛCDM. Des versions affinées du modèle tendent vers une valeur de plus faible, mais avec des incertitudes plus grandes : typiquement autour de 67 ± 4 (km/s)/Mpc et certains modèles prévoient même des valeurs proches de 63 (km/s)/Mpc[5].

Données du télescope à rayons X Chandra[modifier | modifier le code]

En août 2006, une équipe de la NASA, utilisant les données du télescope spatial Chandra, a permis d'évaluer la valeur actuelle de la constante de Hubble:

  • 77 (km/s)/Mpc. Avec une incertitude de 15 %[6].

Données du satellite PLANCK[modifier | modifier le code]

Les données recueillies par le satellite Planck, lancé en Mai 2009, ont permis d'affiner plusieurs paramètres cosmologiques, dont notamment la valeur actuelle de la constante de Hubble, qui est à ce jour estimée avec le plus de précision.

  • 67,8 (km/s)/Mpc. Première interprétation des données du satellite, en Mars 2013.

Notions connexes[modifier | modifier le code]

Article détaillé : Temps de Hubble.

Le temps de Hubble, noté tH, est l'inverse de la constante de Hubble :

.
Article détaillé : Rayon de Hubble.

Le rayon de Hubble, noté RH, est le rapport de la vitesse de la lumière dans le vide (c0) par la constante de Hubble :

.
Article détaillé : Sphère de Hubble.

La sphère de Hubble, notée SH, est la sphère de rayon RH, le rayon de Hubble, centrée sur l'observateur.

Sa surface (interne) est l'horizon de Hubble.

Son volume, notée VH, est le volume de Hubble :

.

Articles connexes[modifier | modifier le code]

Notes et références[modifier | modifier le code]

  1. Au printemps 2013, l'analyse des observations du satellite Planck a amené à la valeur de 67 km/s/Mpc
  2. (en) Wendy L. Freedman, Barry F. Madore, Brad K. Gibson, Laura Ferrarese, Daniel D. Kelson, Shoko Sakai et coll., « Final Results from the Hubble Space Telescope Key Project to Measure the Hubble Constant », Astrophysical Journal, vol. 553,‎ , p. 47–72 (DOI 10.1086/320638, lire en ligne). Preprint disponible ici.
  3. (en) David N. Spergel et coll., « Three-year Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP) Observations: Implications for Cosmology », Astrophysical Journal Supplement Series, vol. 170,‎ , p. 377–408 (DOI 10.1086/513700, lire en ligne)
  4. (en) LAMBDA: WMAP Cosmological Parameters (five-year data release)
  5. Les résultats d'évaluation de ainsi que d'autres paramètres cosmologiques obtenus en combinant différentes versions du modèle ΛCDM avec une variété de données observationnelles sont disponibles sur le site LAMBDA (Legacy Archive for Microwave Background Data Analysis) de la NASA : (en) WMAP Cosmological Parameters Model/Dataset Matrix.
  6. (en) Chandra independently determines Hubble constant sur le site d'actualités Spaceflight Now