Énergie noire : 2 884 supernovae défient le modèle standard

30 ans d'explosions, un seul catalogue

Commençons par le chiffre : 2 884 supernovae de type Ia, un record. Le catalogue tient son nom du défi qu'il relève : « Supernovae Unite », la fusion de deux compilations jusqu'ici séparées, Pantheon+, la référence des relevés passés, et DES-SN5YR, les cinq années de données du Dark Energy Survey publiées en 2024. L'essentiel des nouvelles données vient de ce dernier relevé, mené avec la caméra DECam installée sur le télescope Victor Blanco, au sommet du Cerro Tololo, au Chili.

Fusionner deux catalogues n'a rien d'un copier-coller. Chaque télescope voit différemment, chaque époque d'observation a ses défauts. L'équipe a donc retraité l'ensemble avec une seule règle du jeu : même modélisation des explosions, même sélection des supernovae, mêmes corrections des biais. Dans la pratique, cela veut dire reprendre les observations historiques avec ce que l'on sait aujourd'hui. « Nous avons reconstruit trois décennies d'observations astronomiques dans un cadre unique et cohérent », résume Ryan Camilleri, doctorant à l'université du Queensland et premier auteur de l'étude.

Le retraitement va loin. Les poussières cosmiques qui éteignent la lumière des explosions ont été recalculées. La masse de la galaxie hôte, qui influence la luminosité perçue des supernovae, a été re-mesurée pour plus de 98 % de l'échantillon avec un cadre unique. Même les effets subtils de lentille gravitationnelle, la déviation et le grossissement de la lumière quand elle contourne de grosses masses sur son trajet vers la Terre, ont été intégrés. « Notre projet établit une nouvelle référence mondiale en cosmologie des supernovae et livre l'image la plus nette à ce jour de l'expansion de l'univers », précise encore Ryan Camilleri.

Mesurer l'univers avec des étoiles qui explosent

Pourquoi des supernovae pour sonder l'univers ? Parce qu'une catégorie d'entre elles brille de façon presque prévisible. La supernova de type Ia est la mort explosive d'une naine blanche, un cadavre d'étoile de la taille de la Terre qui a pompé trop de matière à une étoile voisine. Arrivée à une masse limite quasi identique dans tous les cas, elle explose, et l'explosion libère toujours à peu près la même quantité de lumière.

C'est une chandelle standard, un phare dont on connaît la puissance réelle. Comparez la lumière qu'elle devrait émettre avec celle que vous recevez, et la différence vous donne sa distance. Imaginez des ampoules de 60 watts éparpillées dans la nuit : l'éclat apparent de chacune trahit directement son éloignement. En repérant la supernova 1994D dans la galaxie NGC 4526, à 50 millions d'années-lumière de nous, les astronomes ont pu mesurer sa distance avec cette méthode.

Reste la deuxième pièce du puzzle : la vitesse. La lumière d'une galaxie lointaine arrive décalée vers le rouge, étirée par l'expansion de l'espace elle-même. Plus le rouge est étiré, plus la galaxie file loin. En croisant distance et vitesse pour chaque supernova, on obtient l'histoire de l'expansion, une courbe appelée diagramme de Hubble, la signature de l'étude publiée ce mois-ci.

C'est précisément cette méthode qui avait révélé, à la fin des années 1990, que l'expansion de l'univers accélère. Une découverte récompensée par le prix Nobel de physique, et qui a imposé l'idée d'une énergie noire qui pousse l'espace à se dilater. Aujourd'hui, 2 884 supernovae re-écoutent ce verdict avec une précision inédite.

Ce que disent les chiffres : un modèle qui vacille

Les supernovae seules ne suffisent pas. L'équipe a croisé son catalogue avec deux autres sondes de l'univers. D'abord le fond diffus cosmologique, la lumière la plus ancienne de l'univers, émise quand le cosmos n'avait que 380 000 ans : une photo de bébé, dressée par la mission Planck de l'ESA, qui sert de repère aux modèles. Ensuite les oscillations acoustiques baryoniques, des ondes de pression nées dans la matière incandescente des premiers instants, aujourd'hui figées dans la répartition des galaxies comme une règle graduée cosmique. Les relevés DES et DESI mesurent cette règle sur des millions de galaxies.

Chaque sonde pèse le contenu de l'univers à une époque différente. Et quand on les met toutes ensemble, un chiffre cloche. Le modèle standard, appelé ΛCDM, repose sur deux piliers : une matière noire froide, et une énergie noire figée, qui ne change jamais. Dans ce modèle, le paramètre qui décrit le comportement de l'énergie noire vaut exactement -1. Or les données combinées donnent -0,861 aujourd'hui, avec une trajectoire qui dérive dans le temps, mesurée par un second paramètre à -0,60.

Le détail qui fait mouche : quand on force l'énergie noire à rester constante, les mesures du fond diffus cosmologique et celles des supernovae et des galaxies se contredisent fortement. Quand on autorise l'énergie noire à varier, la tension s'atténue. Le modèle souple colle mieux aux données que le modèle rigide.

Que vaut cet indice ? Les cosmologistes utilisent le sigma, une mesure de la solidité d'un signal statistique. Une découverte exige 5 sigma, soit une chance sur 3,5 millions de se tromper. Ici, l'analyse fréquentiste, la méthode qui compare les données à un modèle et évalue la probabilité d'obtenir un tel écart par pur hasard, donne 2,5 sigma à 3,1 sigma selon l'estimation retenue. Autrement dit, entre 1 % et 0,2 % de risque que ce soit un simple hasard statistique. Une autre approche, l'analyse bayésienne, qui pèse la plausibilité des modèles à la lumière des données, ne donne qu'une préférence faible. Traduction : un indice sérieux, cohérent, mais pas la découverte du siècle. Pas encore.

La suite : DEBASS, DESI et Roman

Ce résultat ne tombe pas de nulle part. Les données du Dark Energy Survey publiées en 2024 avaient déjà laissé voir un premier soupçon d'énergie noire variable. Et DESI, l'instrument de spectroscopie qui cartographie les reliques sonores de l'univers primordial, a signalé le même genre d'écart dans ses relevés. « Deux mesures totalement indépendantes ont trouvé des indices de variation dans l'énergie noire, ce qui défie le modèle standard », souligne Tamara Davis, professeure à l'université du Queensland et coautrice de l'étude. La direction des écarts diffère un peu entre les deux sondages, mais l'idée d'une énergie noire évolutive est maintenant sur la table des deux.

La mission Roman, lancée fin août, prendra des relevés de supernovae depuis l'espace avec une précision inédite, et son programme scientifique inclut précisément la mesure de l'énergie noire. De son côté, la chasse continue au sol. Chaque nouveau lot de supernovae, chaque millimètre de précision gagné sur la règle graduée des galaxies rapprochera la significativité du seuil des 5 sigma.

Si l'énergie noire varie vraiment, le modèle standard devra céder du terrain, et les théoriciens devront réécrire les équations. Tamara Davis y voit même plus qu'un problème de cosmologie : percer le comportement de cette force pourrait aider à comprendre comment concilier la gravité, la théorie du monde des étoiles et des galaxies, avec la physique quantique, celle du monde des atomes. Deux théories immensément efficaces, chacune dans son domaine, mais qui refusent encore de se parler. Une force qui varie avec le temps serait peut-être le fil à tirer.

Pour aller plus loin

• Le concept au cœur de l'article : la supernova dans notre glossaire, et la matière noire, l'autre pilier invisible du modèle standard.
• Vous voulez voir ces supernovae de vos propres yeux ? Notre carte du ciel interactive repère pour vous les galaxies où traquer ces explosions, et notre guide d'observation vous apprend à les observer.
• La chasse aux étoiles qui explosent se voit aussi dans notre galerie d'astrophotographies, galaxies et nébuleuses comprises.
• Les sources officielles de cet article : le communiqué de l'université du Queensland, l'article principal sur arXiv et le papier compagnon sur les masses des galaxies hôtes.