Mondialisation cosmique (mon discours #NaukasBilbao24)

Comme chaque année, je vous montre la présentation et une transcription détaillée de ma conférence au Naukas Bilbao 2024 (vidéo EiTB). Intitulée “Cosmic Globalization”, mon idée est d’illustrer pourquoi la prédiction cosmologique de la constante de Hubble me semble bien plus fiable que l’estimation astrophysique du projet SH0ES, qui diffèrent de plus de 5 sigmas (écarts types). À mon avis, le modèle cosmologique consensuel, ΛCDM, ne peut être mis à rude épreuve qu’avec des mesures cosmologiques ; Les mesures astrophysiques peuvent toujours être contaminées par des biais de détection (biais d’observation). En seulement 10 minutes, j’ai résumé les points les plus pertinents qui étayent mon argument. Profitez de la discussion !

Le gros problème de la cosmologie aujourd’hui est la contrainte de Hubble, une différence de 8 % entre la prédiction cosmologique et l’estimation astrophysique de la constante de Hubble. Cela pourrait être le premier signe que le modèle cosmologique ΛCDM doit être modifié. À mon avis, la prédiction cosmologique est plus fiable que la mesure astrophysique, car elle nécessite de globaliser les observations locales. Je pense que la tension pourrait être fictive, le produit d’erreurs systématiques ou de biais d’observation.

Source de l’image de couverture : Univers observable de Wikipédia.

L’estimation cosmologique est globale. Le modèle cosmologique, ajusté au fond diffus cosmologique observé par le télescope spatial Planck de l’ESA, prédit une valeur de 67,66 ± 0,42 km/s/Mpc avec une erreur de 0,6 %. L’estimation astrophysique est locale. Utilisez l’échelle de distance avec les Céphéides et les supernovae Ia pour estimer une valeur de 73,17 ± 0,86 km/s/Mpc avec le double de l’erreur, 1,2 %. Le résultat local du projet SH0ES du prix Nobel de physique Adam Riess diffère du résultat global de plus de cinq sigmas (écarts types).

La source de l’image est Marc Kamionkowski, Adam G. Riess, « The Hubble Tension and Early Dark Energy », Annual Review of Nuclear and Particle Science 73 : 153-180 (24 août 2023), doi : https://doi.org/10.1146/annurev-nucl-111422-024107; la nouvelle donnée de SH0ES est Louise Breuval, Adam G. Riess, … Igor Soszyński, « Les petites céphéides du nuage de Magellan observées avec le télescope spatial Hubble fournissent un nouvel ancrage pour l’échelle de distance SH0ES », arXiv:2404.08038 [astro-ph.CO] (11 avril 2024), deux : https://doi.org/10.48550/arXiv.2404.08038.

La constante de Hubble est la valeur actuelle, aujourd’hui, du paramètre de Hubble, qui est calculé dans le passé et nous indique comment le rayon de l’univers observable varie avec le temps divisé par ledit rayon. Le redshift cosmologique, qui dépend de la taille de l’univers, est utilisé comme une horloge ; une valeur z décrit l’univers lorsqu’il était z+1 fois plus petit. Ainsi, une valeur de z = 1 correspond à la moitié de sa taille actuelle (et pour z = 1000, elle est mille et une fois plus petite).

Source des images : Chronologie de l’univers sur Wikipédia.

La longueur d’onde de la lumière émise par une galaxie est étirée d’un facteur z+1 en raison de l’expansion de l’univers. Par conséquent, son redshift z est facile à calculer à l’aide de son spectre. Par exemple, la raie spectrale Lyman-alpha de l’hydrogène se situe dans l’ultraviolet et se déplace vers le visible pour les galaxies lointaines et vers l’infrarouge pour les galaxies très lointaines.

Source des images : Spectres des galaxies de Webb.

L’univers pour z > 1100 était un plasma chaud à plus de 3000 kelvins d’électrons et de noyaux d’hydrogène et d’hélium, un plasma opaque aux photons car ils entraient en collision avec les électrons. Lorsque la température est tombée à 3 000 kelvins, les électrons se sont liés aux noyaux formant des atomes neutres et l’univers est devenu transparent aux photons. Marqués de leur dernière interaction Thomson avec les électrons, ils sont désormais observés dans les micro-ondes à une température de 2,7255 ± 0,0006 kelvin et se reconnaissent à leur spectre de corps noir parfait (les erreurs sont inférieures à l’épaisseur du trait utilisé pour le représenter, bien que dans le chiffre, ils sont multipliés par un facteur de 400). Ils nous montrent à quoi ressemblait le plasma chaud à z = 1100 et permettent d’estimer les six paramètres du modèle cosmologique ΛCDM.

Source de l’image de gauche, Ethan Siegel, “Demandez à Ethan #76 : Le tout premier Univers”, Ça commence en fanfare, 20 février 2015et des images de la droite, Rhodri Evans, « Comment savons-nous que le CMB provient d’un Univers chaud et primitif ? » L’astronome curieux, 30 juillet 2015.

Le modèle cosmologique prédit une valeur énorme pour le paramètre de Hubble à z = 1 100 (environ 1,6 million de km/s/Mpc), qui diminue très rapidement jusqu’à atteindre une valeur minimale proche de z ≈ 0,65, il y a environ 6 milliards d’années, lorsque l’énergie noire commence pour dominer, accélérant l’expansion cosmique, en raison des grands vides qui apparaissent dans la toile cosmique. Le paramètre Hubble augmente jusqu’à la valeur actuelle prédite pour la constante de Hubble H(0) = 67,66 ± 0,42 km/s/Mpc.

Source de l’image de gauche, Adam G. Riess, Louise Breuval, « La valeur locale de H0 », arXiv : 2308.10954 [astro-ph.CO] (21 août 2023), est ce que je: https://doi.org/10.48550/arXiv.2308.10954et à partir de l’image de droite, Le rayonnement diffus cosmologique de Planck (fond noir).

Le redshift d’une galaxie permet d’estimer sa vitesse particulière par rapport au fond diffus cosmologique, jusqu’à environ 700 km/s ; mais il faut l’ajouter à sa vitesse due à l’expansion cosmique, le flux de Hubble, le produit de la distance constante de Hubble. Pour les galaxies proches, une vitesse particulière domine, comme pour la galaxie d’Andromède qui s’approche de nous. Quelque chose de similaire se produit avec certains amas du superamas local de la Vierge.

Source de l’image à gauche, Groupe local de Wikipédiaet dans la vidéo de droite, Ethan Siegel, “Non, les nouvelles mesures ne peuvent pas relâcher la tension de Hubble” Des étoiles qui font fureur, 04 juin 2024.

Le principe cosmologique nous dit qu’à des distances supérieures à 100 Mpc (z > 0,023), la vitesse du flux de Hubble dépasse 7 000 km/s, bien supérieure aux vitesses particulières. Grâce à cela, la constante de Hubble peut être estimée avec le rapport entre la vitesse d’une galaxie et sa distance. Le projet SH0ES utilise des galaxies jusqu’à 640 Mpc (z

Source de l’image à gauche, Wikipédia Superamas de Laniakeaet à droite, Carte des superamas de Wikipédia.

Pour estimer la distance à une galaxie, le projet SH0ES utilise l’échelle de distance à trois étapes. Estimez la constante de Hubble en utilisant des supernovae de 277 Ia avec 0,0233

La source de l’image est Marc Kamionkowski, Adam G. Riess, « The Hubble Tension and Early Dark Energy », Annual Review of Nuclear and Particle Science 73 : 153-180 (24 août 2023), doi : https://doi.org/10.1146/annurev-nucl-111422-024107; la nouvelle donnée de SH0ES est Louise Breuval, Adam G. Riess, … Igor Soszyński, « Les petites céphéides du nuage de Magellan observées avec le télescope spatial Hubble fournissent un nouvel ancrage pour l’échelle de distance SH0ES », arXiv:2404.08038 [astro-ph.CO] (11 avril 2024), deux : https://doi.org/10.48550/arXiv.2404.08038.

Cette estimation nécessite de prendre en compte la courbure du paramètre de Hubble, en estimant en plus de la constante de Hubble H₀, l’accélération cosmique q₀ et le con j₀ de l’univers local. Le projet SH0ES utilise le télescope JWST pour prouver que ses supernovae Céphéides et Ia sont exemptes de biais instrumentaux. Un beau travail d’élimination des biais, mais qui oublie les biais d’observation ou de détection dus à l’utilisation des supernovae Ia, qu’il est impossible d’éliminer sans y renoncer.

La source des figures est Adam G. Riess, Gagandeep S. Anand, …, Richard I. Anderson, « JWST Observations Reject Unrecognized Crowding of Cepheid Photometry as an Explanation for the Hubble Tension at 8 sigma Confidence », The Astrophysical Journal Letters 962 : L17 (6 fév. 2024), doi : https://doi.org/10.3847/2041-8213/ad1ddd, arXiv:2401.04773 [astro-ph.CO] (09 janv. 2024). La formule est extraite de Louise Breuval, Adam G. Riess, … Igor Soszyński, « Les petites céphéides du nuage de Magellan observées avec le télescope spatial Hubble fournissent un nouvel ancrage pour l’échelle de distance SH0ES », arXiv:2404.08038 [astro-ph.CO] (11 avril 2024), deux : https://doi.org/10.48550/arXiv.2404.08038.

SH0ES explore un volume d’espace compris entre 100 Mpc et 640 Mpc, ce qui représente une partie sur dix mille de l’ensemble de l’univers observable. Le principe de mondialisation cosmique nous dit que le flux de Hubble dans ce petit volume devrait être représentatif de celui de l’univers entier, mais en diffère de 8 %.

La source de la figure est l’infographie Carte de l’univers observable.

Dans l’univers il y a plus de cent milliards de galaxies, donc dans le volume exploré par SH0ES il y a plus de dix millions de galaxies, mais seulement une sur trente-six mille est observée. Le principe de mondialisation cosmique stipule qu’ils sont représentatifs du flux de Hubble, mais le résultat diffère de 8 %.

La source de la figure est l’infographie Carte de l’univers observable.

Dans le volume exploré par SH0Es, qui atteint z = 0,15, on trouve de grandes structures galactiques dynamiques comme le superamas de Laniakea (D

La source du chiffre est Wikipédia Grande Muraille de Sloan ; Je mentionne également Wikipédia Vide géant.

La tension de Hubble ne sera pas résolue par une modification du modèle cosmologique, mais par de nouvelles méthodes de mesure des distances sans recourir aux supernovae Ia. Les deux plus pertinentes sont les étoiles de carbone de la branche asymptotique des géantes de la région J (JABG) et le sommet de la branche des géantes rouges (TRGB). Les deux méthodes sont idéales pour les télescopes infrarouges comme le JWST. Cette année, le projet CCHP (Chicago Carnegie Hubble Program) dirigé par Wendy Freedman a publié son premier résultat utilisant ces méthodes. Son incertitude est très grande, 69,59 ± 1,58 km/s/Mpc (2,3%), mais elle va s’améliorer.

La source des deux figures est Wendy L. Freedman, Barry F. Madore, …, Kayla A. Owens, « Status Report on the Chicago-Carnegie Hubble Program (CCHP): Three Independent Astrophysical Determinations of the Hubble Constant Using the James Webb Space Telescope », arXiv:2408.06153 [astro-ph.CO] (12 août 2024), est ce que je: https://doi.org/10.48550/arXiv.2408.06153. La source des données DESI dans la figure est K. Lodha, A. Shafieloo,…, H. Zou, « DESI 2024 : Constraints on Physics-Focused Aspects of Dark Energy using DESI DR1 BAO Data », arXiv : 2405.13588. [astro-ph.CO] (22 mai 2024), doi: https://doi.org/10.48550/arXiv.2405.13588.

Les méthodes sans supernova permettent de sélectionner les galaxies observées pour éliminer les biais de détection. À l’heure actuelle, ils proposent des valeurs avec beaucoup d’erreurs, H₀ = 67,96 ± 1,71 km/s/Mpc pour JABG, H₀ = 69,85 ± 1,75 km/s/Mpc pour TRGB, qui ensemble donnent H₀ = 69,03 ± 1,75 km/s /Mpc pour JABG+ TRGB, une valeur similaire à l’estimation cosmologique (mais avec une erreur quatre fois plus grande, 2,5%). Pour l’instant, ils ne fournissent aucune information pertinente sur la tension liée à Hubble. Mais ils vont beaucoup s’améliorer dans les années à venir grâce à JWST.

L’auteur de la figure est Mark Belan pour Liz Kruesi, « Le télescope Webb approfondit encore la plus grande controverse en cosmologie », Quanta Magazine, 13 août 2024.

Le biais de détection orne toutes les sciences observationnelles. La seule façon d’éviter cela est d’utiliser une méthodologie qui change ce que nous observons. La souche Hubble en est un bon exemple. Et d’ailleurs, en parlant de préjugés, tous les diffuseurs ont nos propres préjugés, ne croyez jamais ce que nous vous disons. Vérifiez-le par vous-mêmes. Merci!