Depuis plus de 100 ans, les astronomes observent une curieuse étoile située à quelque 190 années-lumière de la Terre dans la constellation de la Balance. Il parcourt rapidement le ciel à 800 000 mph (1,3 million de kilomètres par heure). Mais plus intéressant que cela, HD 140283 - ou Methuselah comme on l'appelle communément - est également l'une des plus anciennes étoiles connues de l'univers.
En 2000, des scientifiques ont cherché à dater l'étoile en utilisant des observations via le satellite Hipparcos de l'Agence spatiale européenne (ESA), qui estimait l'âge de 16 milliards d'années. Une telle figure était plutôt époustouflante et aussi assez déconcertante. Comme l'a souligné l'astronome Howard Bond de la Pennsylvania State University, l'âge de l'univers - déterminé à partir des observations du fond cosmique des micro-ondes - est de 13,8 milliards d'années. "C'était une grave divergence", a-t-il déclaré.
Pris à leur valeur nominale, l'âge prévu de l'étoile a soulevé un problème majeur. Comment une étoile pourrait-elle être plus ancienne que l'univers? Ou, inversement, comment l'univers pourrait-il être plus jeune? Il était certainement clair que Mathusalem - nommé en référence à un patriarche biblique qui serait décédé à l'âge de 969, ce qui en fait le plus long vivant de toutes les figures de la Bible - était vieux, car le sous-géant pauvre en métaux est principalement composé d'hydrogène et l'hélium et contient très peu de fer. Sa composition signifiait que l'étoile devait avoir vu le jour avant que le fer ne devienne monnaie courante.
Mais plus de deux milliards d'années de plus que son environnement? Ce n'est certainement pas possible.
Regardons de plus près l'âge de Mathusalem
Bond et ses collègues se sont donnés pour tâche de déterminer si ce chiffre initial de 16 milliards était exact. Ils ont étudié plus de 11 séries d'observations enregistrées entre 2003 et 2011 par les capteurs de guidage fin du télescope spatial Hubble, qui notent les positions, les distances et la production d'énergie des étoiles. En acquérant des mesures de parallaxe, de spectroscopie et de photométrie, un meilleur sens de l'âge pourrait être déterminé.
"L'une des incertitudes avec l'âge de HD 140283 était la distance précise de l'étoile", a déclaré Bond à All About Space. "Il était important de bien faire les choses car nous pouvons mieux déterminer sa luminosité, et à partir de cela son âge - plus la luminosité intrinsèque est lumineuse, plus l'étoile est jeune. Nous recherchions l'effet de parallaxe, ce qui signifiait que nous regardions l'étoile six mois à part pour chercher le décalage de sa position dû au mouvement orbital de la Terre, qui nous indique la distance. "
Il y avait également des incertitudes dans la modélisation théorique des étoiles, telles que les taux exacts de réactions nucléaires dans le noyau et l'importance des éléments diffusant vers le bas dans les couches externes, a-t-il déclaré. Ils ont travaillé sur l'idée que l'hélium résiduel se diffuse plus profondément dans le cœur, laissant moins d'hydrogène à brûler via la fusion nucléaire. Avec un carburant utilisé plus rapidement, l'âge est abaissé.
"Un autre facteur qui était important était, de toutes choses, la quantité d'oxygène dans l'étoile", a déclaré Bond. Le HD 140283 avait un rapport oxygène-fer plus élevé que prévu et, comme l'oxygène n'était pas abondant dans l'univers pendant quelques millions d'années, il indiquait à nouveau un âge plus bas pour l'étoile.
Bond et ses collaborateurs ont estimé l'âge du HD 140283 à 14,46 milliards d'années - une réduction significative par rapport aux 16 milliards réclamés précédemment. C'était cependant encore plus que l'âge de l'univers lui-même, mais les scientifiques posaient une incertitude résiduelle de 800 millions d'années, ce qui, selon Bond, rendait l'âge de l'étoile compatible avec l'âge de l'univers, même s'il n'était pas entièrement parfait .
"Comme toutes les estimations mesurées, elle est sujette à la fois à une erreur aléatoire et systématique", a déclaré le physicien Robert Matthews de l'Université Aston à Birmingham, au Royaume-Uni, qui n'était pas impliqué dans l'étude. "Le chevauchement dans les barres d'erreur donne une indication de la probabilité d'un conflit avec les déterminations cosmologiques de l'âge", a déclaré Matthews. "En d'autres termes, l'âge de l'étoile le mieux supporté est en conflit avec celui de l'âge dérivé de l'univers, et le conflit ne peut être résolu qu'en poussant les barres d'erreur à leurs limites extrêmes."
D'autres améliorations ont vu l'âge du HD 140283 baisser un peu plus. Une étude de suivi de 2014 a actualisé l'âge de l'étoile à 14,27 milliards d'années. "La conclusion est que l'âge est d'environ 14 milliards d'années et, encore une fois, si l'on inclut toutes les sources d'incertitude - à la fois dans les mesures d'observation et dans la modélisation théorique - l'erreur est d'environ 700 ou 800 millions d'années, donc il n'y a pas de conflit parce que 13,8 milliards d'années se trouvent dans la barre d'erreur de l'étoile ", a déclaré Bond.
Regardons de plus près l'âge de l'univers
Pour Bond, les similitudes entre l'âge de l'univers et celui de cette vieille étoile voisine - qui ont toutes deux été déterminées par différentes méthodes d'analyse - est "une réalisation scientifique étonnante qui fournit des preuves très solides pour l'image du Big Bang de l'univers. ". Il a déclaré que le problème de l'âge des étoiles les plus anciennes était beaucoup moins grave qu'il ne l'était dans les années 1990, lorsque les âges stellaires approchaient de 18 milliards d'années ou, dans un cas, de 20 milliards d'années. "Avec les incertitudes des déterminations, les âges sont maintenant d'accord", a déclaré Bond.
Pourtant, Matthews pense que le problème n'est pas encore résolu. Les astronomes lors d'une conférence internationale des meilleurs cosmologistes de l'Institut Kavli de physique théorique à Santa Barbara, en Californie, en juillet 2019, se sont interrogés sur des études qui suggéraient différents âges pour l'univers. Ils examinaient des mesures de galaxies qui sont relativement proches, ce qui suggère que l'univers est plus jeune de centaines de millions d'années par rapport à l'âge déterminé par le fond cosmique des micro-ondes.
En fait, loin d'avoir 13,8 milliards d'années, selon les mesures détaillées du rayonnement cosmique effectuées par le télescope spatial européen Planck en 2013, l'univers pourrait avoir jusqu'à 11,4 milliards d'années. Adam Riess, lauréat du prix Nobel, du Space Telescope Science Institute à Baltimore, Maryland, est l'un de ceux qui ont mené ces études.
Les conclusions sont basées sur l'idée d'un univers en expansion, comme l'a montré en 1929 Edwin Hubble. Ceci est fondamental pour le Big Bang - la compréhension qu'il y avait une fois un état de densité chaude qui a explosé, étirant l'espace. Il indique un point de départ qui devrait être mesurable, mais de nouvelles découvertes suggèrent que le taux d'expansion est en fait d'environ 10% plus élevé que celui suggéré par Planck.
En effet, l'équipe Planck a déterminé que le taux d'expansion était de 67,4 km par seconde par mégaparsec, mais des mesures plus récentes prises du taux d'expansion de l'univers indiquent des valeurs de 73 ou 74. Cela signifie qu'il y a une différence entre la mesure de la vitesse l'univers se développe aujourd'hui et les prévisions de la vitesse à laquelle il devrait se développer en fonction de la physique de l'univers primitif, a déclaré Riess. Cela conduit à une réévaluation des théories acceptées tout en montrant qu'il y a encore beaucoup à apprendre sur la matière noire et l'énergie sombre, qui seraient à l'origine de cette énigme.
Une valeur plus élevée pour la constante de Hubble indique un âge plus court pour l'univers. Une constante de 67,74 km par seconde par mégaparsec conduirait à un âge de 13,8 milliards d'années, alors que l'un des 73, ou même jusqu'à 77 comme certaines études l'ont montré, indiquerait un âge universel ne dépassant pas 12,7 milliards d'années. C'est un décalage qui suggère, une fois de plus, que le HD 140283 est plus ancien que l'univers. Depuis, il a également été remplacé par une étude de 2019 publiée dans la revue Science qui proposait une constante de Hubble de 82,4 - suggérant que l'âge de l'univers n'est que de 11,4 milliards d'années.
Matthews pense que les réponses résident dans un raffinement cosmologique plus important. "Je soupçonne que les cosmologistes observationnels ont raté quelque chose qui crée ce paradoxe, plutôt que les astrophysiciens stellaires", a-t-il déclaré, soulignant que les mesures des étoiles étaient peut-être plus précises. "Ce n'est pas parce que les cosmologistes sont en quelque sorte bâclés, mais parce que la détermination de l'âge de l'univers est soumise à des incertitudes d'observation et théoriques plus et sans doute plus délicates que celle des étoiles."
Alors, comment les scientifiques vont-ils comprendre cela?
Qu'est-ce qui pourrait rendre l'univers potentiellement plus jeune que cette étoile en particulier?
"Il y a deux options, et l'histoire de la science suggère que dans de tels cas, la réalité est un mélange des deux", a déclaré Matthews. "Dans ce cas, ce seraient des sources d'erreur d'observation qui n'ont pas été entièrement comprises, ainsi que certaines lacunes dans la théorie de la dynamique de l'univers, telles que la force de l'énergie sombre, qui a été le principal moteur de l'expansion cosmique. depuis des milliards d'années maintenant. "
Il suggère la possibilité que le "paradoxe de l'âge" actuel reflète la variation temporelle de l'énergie sombre, et donc un changement du taux d'accélération - une possibilité que les théoriciens ont trouvée pourrait être compatible avec les idées sur la nature fondamentale de la gravité, comme ce qu'on appelle théorie des ensembles causaux. De nouvelles recherches sur les ondes gravitationnelles pourraient aider à résoudre le paradoxe, a déclaré Matthews.
Pour ce faire, les scientifiques examineraient les ondulations dans le tissu de l'espace et du temps créées par des paires d'étoiles mortes, plutôt que de s'appuyer sur le fond cosmique des micro-ondes ou la surveillance d'objets à proximité tels que les variables de Céphéide et les supernovae pour mesurer la constante de Hubble - le premier entraînant une vitesse de 67 km par seconde par mégaparsec et le second en 73.
Le problème est que la mesure des ondes gravitationnelles n'est pas une tâche facile, car elles n'ont été détectées directement que pour la première fois en 2015. Mais selon Stephen Feeney, astrophysicien au Flatiron Institute de New York, une percée pourrait être réalisée au cours de la la prochaine décennie. L'idée est de collecter des données sur les collisions entre des paires d'étoiles à neutrons en utilisant la lumière visible que ces événements émettent pour déterminer la vitesse à laquelle ils se déplacent par rapport à la Terre. Cela implique également d'analyser les ondes gravitationnelles résultantes pour une idée de la distance - les deux pouvant se combiner pour donner une mesure de la constante de Hubble qui devrait être la plus précise à ce jour.
Le mystère de l'âge de HD 140283 mène à quelque chose de plus grand et de plus complexe sur le plan scientifique, modifiant la compréhension du fonctionnement de l'univers.
"Les explications les plus probables du paradoxe sont un effet d'observation négligé et / ou quelque chose de grand manquant à notre compréhension de la dynamique de l'expansion cosmique", a déclaré Matthews. Précisément ce qu'est ce "quelque chose", c'est sûr que les astronomes seront mis au défi pendant un certain temps.
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