Univers en expansion accélérée et Supernovae de Type Ia

En utilisant des naines blanches en explosion comme chandelles standard, deux équipes ont découvert à la fin des années 1990 que l'expansion de l'univers s'accélère, remettant en question l'attente selon laquelle la gravité devrait la ralentir.

Definition

L'univers en expansion accélérée est la découverte, établie à l'aide des supernovae de Type Ia, selon laquelle le taux d'expansion cosmique augmente avec le temps ; les supernovae de Type Ia sont des explosions thermonucléaires de naines blanches dont la luminosité maximale standardisée en fait des indicateurs de distance précis.

Scope

Ce sujet aborde les supernovae de Type Ia en tant que chandelles standardisables, la mesure de leurs distances et de leurs décalages vers le rouge (redshifts) pour cartographier l'histoire de l'expansion, la découverte que les supernovae lointaines sont moins lumineuses que ce qu'un univers en décélération prédit, et l'inférence qu'une composante d'énergie sombre (dark energy) est à l'origine de l'expansion accélérée.

Core questions

• Pourquoi les supernovae de Type Ia sont-elles de bonnes chandelles standard ?
• Comment les observations de supernovae ont-elles révélé l'accélération cosmique ?
• Qu'implique l'atténuation de la luminosité des supernovae lointaines ?

Key concepts

• Supernova de Type Ia
• Chandelle standardisable
• Standardisation de la courbe de lumière (light-curve)
• Distance de luminosité
• Diagramme de Hubble
• Paramètre de décélération
• Accélération cosmique

Key theories

Chandelles standardisables

Les supernovae de Type Ia présentent une relation étroite entre la forme de leur courbe de lumière (light-curve) et leur luminosité maximale ; ainsi, après standardisation, leurs luminosités sont presque uniformes, ce qui permet des mesures de distance précises jusqu'à des décalages vers le rouge (redshifts) élevés.

Preuves d'accélération

Les supernovae lointaines apparaissent plus faibles, et donc plus éloignées, que prévu dans un univers en décélération, ce qui indique que l'expansion s'est accélérée et nécessite une composante à pression négative.

Mechanisms

Une naine blanche atteignant une masse critique subit une explosion thermonucléaire de luminosité reproductible ; la correction de la largeur et de la couleur de la courbe de lumière (light-curve) permet d'obtenir une chandelle standard, et le tracé de la luminosité en fonction du décalage vers le rouge (redshift) produit un diagramme de Hubble dont la courbure à haut décalage vers le rouge révèle l'expansion accélérée.

Clinical relevance

La découverte des supernovae est l'un des résultats les plus importants de la cosmologie moderne : elle a établi l'existence de l'énergie sombre (dark energy) et de l'univers plat en accélération, a remodelé le bilan énergétique cosmique et a lancé un vaste programme d'observation pour caractériser la cause de cette accélération.

History

Le Supernova Cosmology Project et le High-z Supernova Search Team ont découvert indépendamment en 1998 et 1999 que les supernovae à haut décalage vers le rouge (high-redshift) étaient moins lumineuses que prévu, ce qui impliquait une accélération ; le résultat a été rapidement corroboré et reconnu par le prix Nobel de physique en 2011.

Debates

Effets systématiques en cosmologie des supernovae

Des effets systématiques possibles tels que l'évolution des propriétés des supernovae, l'extinction par la poussière et les biais de sélection ont été examinés comme alternatives à l'accélération, mais le résultat a été maintenu et renforcé par des sondes indépendantes.

Key figures

• Saul Perlmutter
• Brian Schmidt
• Adam Riess
• Robert Kirshner

Seminal works

• riess1998
• perlmutter1999

Frequently asked questions

Pourquoi les supernovae de Type Ia sont-elles si utiles en cosmologie ?

Elles sont extrêmement lumineuses, visibles à travers une grande partie de l'univers observable, et après standardisation de la forme et de la couleur de leur courbe de lumière (light-curve), leurs luminosités maximales sont presque identiques, de sorte que leur luminosité apparente fournit des distances fiables pour cartographier l'histoire de l'expansion.

Comment l'atténuation de la luminosité des supernovae implique-t-elle une accélération ?

Si les supernovae lointaines sont plus faibles que prévu pour leur décalage vers le rouge (redshift), elles doivent être plus éloignées que ce qu'un univers en décélération les placerait, ce qui signifie que l'expansion s'est accélérée avec le temps, la signature de l'énergie sombre (dark energy).