Des astronomes ont mesuré l’âge de plus de 150 000 étoiles anciennes disséminées dans la Voie lactée et ont découvert que la plus vieille d’entre elles correspond exactement à ce que prédit le modèle standard de la cosmologie. Ce résultat sape discrètement l’une des principales classes d’explications de la tension de Hubble, le désaccord persistant entre la vitesse d’expansion actuelle de l’Univers mesurée aujourd’hui et celle attendue d’après l’Univers primordial.
L’étude, dirigée par Indranil Banik de l’Université de Portsmouth et acceptée pour publication dans les Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, a utilisé la spectroscopie à haute résolution du télescope LAMOST (Chine) et les distances précises fournies par le satellite Gaia de l’Agence spatiale européenne pour déterminer les âges de 247 103 étoiles de la Voie lactée avec un soin inédit. Après avoir appliqué des filtres de qualité stricts pour éliminer les mesures non fiables, l’équipe a retenu un échantillon final de 155 600 étoiles dont l’âge pouvait être jugé fiable.
« C’est de loin l’échantillon d’étoiles anciennes le plus vaste et le plus soigneusement vérifié jamais utilisé pour ce type d’analyse », a déclaré Banik.
L’équipe s’est concentrée sur les étoiles approchant de la fin de leur vie normale, pour lesquelles les estimations d’âge sont les plus fiables car elles évoluent assez rapidement pour que leur stade évolutif puisse être déterminé avec précision. Les candidates devaient être pauvres en métaux et enrichies en éléments alpha, deux signatures d’une formation dans l’Univers primordial, et les âges dérivés des données spectroscopiques ont été recoupés avec des âges indépendants calculés à partir des seules données de Gaia.
Le résultat : l’étoile la plus vieille de l’échantillon a un âge de 13,73 milliards d’années, avec des incertitudes d’environ 0,2 milliard d’années de part et d’autre. Ce chiffre implique que l’Univers lui-même est âgé d’environ 13,8 milliards d’années, compte tenu des quelque 200 millions d’années nécessaires à la formation des premières étoiles à longue durée de vie après le Big Bang. Cette valeur concorde quasi parfaitement avec l’âge dérivé indépendamment du fond diffus cosmologique par le satellite Planck.
Cet accord est important car la tension de Hubble, un écart d’environ 5 sigma entre les mesures du taux d’expansion provenant d’objets proches et celles issues du CMB, a poussé les cosmologistes à proposer un large éventail de modifications au modèle standard. Une classe majeure de ces propositions invoque l’« énergie noire primordiale » ou d’autres nouvelles physiques ayant opéré dans les premiers centaines de milliers d’années de l’Univers, modifiant l’évolution du cosmos avant la recombinaison. De tels modèles peuvent aligner le taux d’expansion de l’Univers primordial sur les mesures locales, mais ils ont un coût intrinsèque : ils rendent l’Univers plus jeune.
« À quel point plus jeune ? » a demandé Banik. « Environ 12,9 milliards d’années, plus ou moins 0,2 milliard. »
C’est là que les étoiles anciennes entrent en jeu. Si l’Univers n’avait que 12,9 milliards d’années, une étoile mesurée à 13,73 milliards d’années serait plus vieille que le cosmos lui-même, une impossibilité. Les âges stellaires écartent donc toute solution à la tension de Hubble qui repose uniquement sur une physique antérieure à la recombinaison.
Les chercheurs ont testé la robustesse de leur résultat en faisant varier leurs critères de qualité, notamment le plafond de métallicité qui définit les étoiles considérées comme véritablement anciennes. Même avec les ajustements les plus agressifs, l’étoile la plus vieille n’est jamais descendue en dessous de 13,3 milliards d’années, restant confortablement au-dessus des 12,9 milliards d’années requis par les modèles de tension de Hubble reposant sur l’Univers primordial. Dans le haut de la fourchette, un relâchement des critères a porté l’âge de l’étoile la plus vieille à 14,0 milliards d’années.
« L’écart est d’environ 0,8 milliard d’années », a déclaré Banik. « Des incertitudes de modélisation stellaire de cette ampleur sont très difficiles à justifier, surtout pour les étoiles les plus pauvres en métaux de notre échantillon, dont l’évolution est relativement simple. »
Ce résultat ne résout pas la tension de Hubble en elle-même. Les mesures locales issues des supernovae et des variables céphéides sont toujours en désaccord avec le taux d’expansion basé sur le CMB, un écart qui n’a fait que se creuser à mesure que les mesures se sont améliorées. Ce que l’étude apporte, c’est une réduction de la liste des explications possibles, écartant toute une famille de solutions reposant sur l’Univers primordial et orientant plutôt vers autre chose : soit des erreurs systématiques dans les mesures locales de distance, soit une physique tardive qui modifierait le taux d’expansion après la recombinaison.
« Les solutions reposant sur l’Univers primordial ont été une voie populaire chez les théoriciens », a déclaré Banik. « Ce résultat suggère que si la réponse réside dans une nouvelle physique, il s’agit probablement d’une physique qui entre en jeu plus tard dans l’histoire cosmique, pas au cours des premiers centaines de milliers d’années. »
Par ailleurs, le résultat pèse également sur la tension S8, un désaccord connexe entre les prédictions basées sur le CMB concernant le niveau d’agglutination de l’Univers et l’agglutination plus faible observée par les relevés de galaxies. Un Univers plus jeune aurait également eu moins de temps pour que les structures se développent, ce qui pourrait expliquer l’agglutination manquante. En confirmant l’âge cosmique standard, les âges stellaires suggèrent que la tension S8, elle aussi, nécessitera une explication différente.
L’échantillon lui-même est désormais disponible pour d’autres chercheurs, et l’équipe de Banik s’attend à ce que des affinements supplémentaires dans la modélisation stellaire et des échantillons plus vastes provenant des relevés à venir resserrent encore les contraintes d’âge. Pour l’instant, cependant, les plus vieilles étoiles de la Galaxie ont rendu un verdict clair : l’Univers n’est pas aussi jeune que certains cosmologistes l’avaient espéré.
Traduit par Lydie