Constante de Hubble et Expansion de l'Univers Observable

Résumé scientifique

L'article d'Astronoo présente la constante de Hubble et l'expansion de l'Univers observable. Il retrace les observations d'Edwin Hubble et de Vesto Slipher, qui ont montré que les galaxies s'éloignent à une vitesse proportionnelle à leur distance, ainsi que l'échelle des distances cosmiques qui rend cette mesure possible. La constante de Hubble déduite du Fond Diffus Cosmologique par le satellite Planck vaut 67,4 km/s/Mpc, tandis que la méthode de l'échelle des distances (Céphéides et supernovae de type Ia, équipe SH0ES) donne environ 73 km/s/Mpc. Cet écart persistant, appelé tension de Hubble, dépasse aujourd'hui 5 écarts-types et reste l'une des énigmes non résolues de la cosmologie moderne. L'article explique aussi pourquoi l'expansion ne concerne pas les systèmes liés gravitationnellement, comme le système solaire.

Qu'est-ce que la constante de Hubble et que signifie l'expansion de l'Univers ?

Cet article est consacré à la constante de Hubble, notée H₀, et à l'expansion de l'Univers. Mais qu'est-ce que cela signifie exactement ? La constante de Hubble est le taux auquel l'Univers s'étend. Plus précisément, elle décrit la vitesse à laquelle une galaxie s'éloigne de nous en fonction de sa distance. Par exemple, une galaxie située à un mégaparsec (≈3,26 millions d'années-lumière) s'éloigne à une vitesse comprise entre 67 et 73 kilomètres par seconde selon la méthode de mesure utilisée. Cette relation, découverte par Edwin Hubble en 1929, a révélé que l'Univers n'est pas statique, mais en expansion. Attention, il ne s'agit pas d'un mouvement des galaxies dans l'espace, mais d'une dilatation de l'espace-temps lui-même. L'expansion ne s'applique qu'aux très grandes distances, entre amas de galaxies. Les systèmes liés par la gravité, comme le système solaire ou notre Galaxie, ne s'étendent pas. La valeur exacte de la constante de Hubble reste débattue, entre 67 et 73 km/s/Mpc selon que l'on parte de l'Univers primordial ou de l'Univers proche — un désaccord persistant, la « tension de Hubble », qui stimule aujourd'hui la recherche en cosmologie.

À découvrir aussi

Poursuivez votre exploration de l'Univers avec ces sujets :

L'expansion de l'univers

Un univers en expansion

Quand on regarde dans le passé l'univers est de plus en plus petit, de plus en plus dense et de plus en plus chaud. En d'autres termes tous les objets de l'Univers se rapprochent les uns des autres lorsqu'on regarde le film à l'envers en remontant dans le temps.

Les observations d'Edwin Hubble

En 1923 Edwin Hubble (1889-1953) utilise le télescope Hooker de 250 cm, le plus puissant télescope de l'époque. En observant une étoile variable dans la nébuleuse d'Andromède (M31), il identifie une Céphéide — une étoile dont l'éclat varie avec une période directement liée à sa luminosité réelle, selon la relation période-luminosité découverte par Henrietta Leavitt en 1912. Cette méthode lui permet d'estimer la distance de M31 à environ 900 000 années-lumière, la plaçant largement en dehors de notre Galaxie. Ainsi, Hubble met fin au long débat sur la nature des objets diffus qu'on appellera désormais galaxies.

Un peu plus tard en 1929, Hubble analyse les vitesses radiales des galaxies, préalablement mesurées par Vesto Slipher (1875-1969), à partir des décalages vers le rouge de raies spectrales. Il se limite d'abord aux galaxies situées à moins de 6 millions d'années-lumière et s'aperçoit que la relation vitesse-distance est approximativement linéaire. En compagnie de Milton Humason (1891-1972), il étend son étude à des galaxies distantes jusqu'à 100 millions d'années-lumière, la relation reste linéaire.

La loi de Hubble et le taux d'expansion

Hubble énonce alors sa fameuse loi de Hubble, "Les galaxies s'éloignent les unes des autres à une vitesse proportionnelle à leur distance". Autrement dit, plus une galaxie est loin de nous, plus elle semble s'éloigner rapidement. Il crée donc le concept d'expansion de l'Univers. Attention, les galaxies s'éloignent, mais il ne s'agit pas d'un vrai mouvement des galaxies, c'est l'Univers tout entier qui gonfle et qui donne cette vitesse apparente aux galaxies. C'est l'espace entre les galaxies qui augmente, en réalité c'est l'espace-temps qui se dilate.

Le taux d'expansion des galaxies entre elles correspond à la constante de Hubble (Hο) calculée par Edwin Hubble et George Lemaitre dans les années 1930. L'inverse de la constante de Hubble est appelé le temps de Hubble il correspond à la durée depuis le Big bang, donc à l'âge de l'univers. Le rayonnement fossile, découvert en 1965, est une véritable « Pierre de Rosette » pour les cosmologistes, car il permet de décrypter l’histoire thermique de l’Univers depuis le Big Bang.

N.B. : La distance de 900 000 années-lumière calculée par Hubble en 1923-1925 pour M31 sous-estimait fortement la réalité (aujourd'hui établie à environ 2,5 millions d'années-lumière). L'erreur venait d'une confusion entre deux populations différentes de Céphéides, aux relations période-luminosité distinctes, corrigée seulement en 1952 par l'astronome Walter Baade — qui doubla d'un coup la taille estimée de l'Univers observable.

L'échelle des distances cosmiques : des Céphéides aux supernovae

Une chaîne de mesures étalonnées les unes sur les autres

Mesurer une vitesse de récession est relativement simple, grâce au décalage vers le rouge du spectre lumineux. Mesurer une distance intergalactique est en revanche beaucoup plus délicat, et c'est justement la principale source d'incertitude sur la constante de Hubble. Les astronomes utilisent pour cela une échelle des distances cosmiques, une succession d'étalons de mesure, chacun calibré sur le précédent : la parallaxe pour les étoiles proches de notre Galaxie, les Céphéides pour les galaxies proches (leur luminosité réelle se déduisant de leur période de pulsation), puis les supernovae de type Ia pour les galaxies plus lointaines, dont l'éclat maximal est remarquablement standardisé et sert de "chandelle standard".

Une méthode alternative : la pointe de la branche des géantes rouges

Une autre méthode, dite du Tip of the Red Giant Branch (TRGB, ou « pointe de la branche des géantes rouges »), s'appuie sur le fait que les étoiles géantes rouges atteignent toutes une luminosité maximale très similaire avant d'entamer la fusion de l'hélium en leur cœur. Elle offre un étalonnage indépendant des Céphéides et, menée avec le télescope spatial James Webb, elle donne des valeurs de la constante de Hubble intermédiaires entre celles obtenues par les deux méthodes principales — une piste sérieuse pour comprendre l'origine du désaccord décrit plus loin.

Quelle est la valeur de la constante de Hubble ?

Constante de Hubble et expansion de l'Univers — Ces petites fluctuations de température sont les premières lueurs de l'univers observable vues par la mission Planck (mars 2013). Depuis 2013, les astrophysiciens européens, canadiens et américains ont affiné la composition de l'Univers. Cette image composite en fausses couleurs, représente les traces des premiers instants de la création, environ 380 000 ans après le Big Bang, il y a 13,8 milliards d'années (≈1%). L'univers observable est composé de 69.4 % d'énergie noire, 25.8 % de matière noire froide et 4.8 % d'atomes, c'est-à-dire de matière ordinaire.
Source image : ESA (nouvelle fenêtre).

Le Fond Diffus Cosmologique

La carte du Fond Diffus Cosmologique représente le rayonnement électromagnétique issu des premiers instants de l'Univers observable. Ces photons détectables aujourd'hui dans la gamme des ondes radio, ont gardé les traces des grandes structures naissantes qui seront transportées par l'inflation.

Les mesures de la constante de Hubble

La valeur de la constante de Hubble (Hο) n'est pas connue avec une précision parfaite, et surtout, elle diffère selon la méthode employée. En mars 2013, une première analyse des données du satellite Planck avait donné une valeur de 67,8 km/s/Mpc ; l'analyse finale de la mission, publiée en 2018, l'a affinée à 67,4 ± 0,5 km/s/Mpc, déduite du Fond Diffus Cosmologique. De son côté, l'équipe SH0ES, en combinant les Céphéides et les supernovae de type Ia sur l'échelle des distances, obtient une valeur nettement plus élevée, 73,0 ± 1,0 km/s/Mpc environ (résultats 2022). Une bulle de 1 Mpc gonfle donc aujourd'hui, selon la méthode retenue, de 67 à 73 km toutes les secondes ; une bulle de 10 Mpc, dix fois plus ; une bulle de 100 Mpc, cent fois plus…

La tension de Hubble : une anomalie qui persiste

Deux méthodes, deux résultats incompatibles

Cet écart entre les deux grandes familles de mesures — 67,4 km/s/Mpc depuis le Fond Diffus Cosmologique, contre environ 73 km/s/Mpc depuis l'échelle des distances locales — porte un nom : la tension de Hubble. Ce n'est pas une simple marge d'erreur : l'écart dépasse aujourd'hui 5 écarts-types (5σ) selon l'équipe SH0ES, ce qui rend hautement improbable qu'il s'agisse d'un hasard statistique. Or les deux méthodes reposent sur une physique extrêmement bien comprise — le modèle cosmologique standard ΛCDM pour le Fond Diffus Cosmologique, et l'étalonnage bien établi des Céphéides et des supernovae de type Ia pour l'échelle des distances.

Des mesures indépendantes qui compliquent le tableau

D'autres méthodes, totalement indépendantes des deux précédentes, viennent nourrir le débat sans le trancher. Les oscillations acoustiques de baryons (BAO), mesurées en 2024 par l'instrument DESI, donnent une valeur basse d'environ 68,4 km/s/Mpc, proche de celle de Planck. À l'inverse, des mesures récentes fondées sur les délais temporels de quasars lentillés gravitationnellement (collaboration TDCOSMO, 2025) donnent des valeurs élevées, autour de 70 à 78 km/s/Mpc, renforçant plutôt le camp des mesures locales. Entre les deux, la méthode TRGB menée avec le télescope spatial James Webb donne des valeurs intermédiaires, autour de 69 à 70 km/s/Mpc, qui pourraient indiquer une piste de résolution partielle — sans que la communauté scientifique ne soit aujourd'hui unanime.

Nouvelle physique, ou simple erreur systématique ?

Deux grandes hypothèses s'affrontent pour expliquer la tension de Hubble. La première suppose l'existence d'une erreur systématique encore non identifiée dans l'une des méthodes de mesure — un biais dans l'étalonnage des Céphéides, ou une mauvaise compréhension d'un paramètre du modèle ΛCDM. La seconde, plus spéculative, envisage une véritable nouvelle physique : une forme d'énergie noire précoce, une modification de la gravité, ou une physique des neutrinos différente de celle admise aujourd'hui. Les futures missions, comme le télescope spatial Nancy Grace Roman ou la mission Euclid de l'ESA, doivent apporter des données supplémentaires dans les prochaines années pour tenter de départager ces hypothèses.

Quel est l'effet de l'expansion de l'Univers sur la distance Terre-Soleil ?

Une expansion à grande échelle

L'expansion de l'univers ne s'applique que sur de très grands espaces, c'est-à-dire entre des entités comme les amas de galaxies ou les superamas.

Les systèmes liés gravitationnellement

Dans le système solaire, les objets sont "connectés" par la force gravitationnelle du Soleil et le tout peut être considéré comme un système compact.

Les objets, dotés d'une masse et dont la vitesse de l'un par rapport à l'autre est inférieure à leur vitesse de libération, font partie d'un système gravitationnel. Tant que le système est lié gravitationnellement, l'espace entre les objets ne peut enfler sous l'effet d'une force antigravitationnelle. Le système tout entier est découplé de l'expansion de l'Univers observable. Il en est de même pour le Soleil à l'intérieur de la Galaxie.

Tableau: Equivalences entre les unités de distance

Ce tableau présente les équivalences entre les principales unités de distance utilisées en astronomie : le parsec (pc), l'année-lumière (al), l'unité astronomique (au) et le kilomètre (km).

Unités de distance astronomiques
Unités de distance	pc	al	au	km
pc	1	3,26	206265	3,09x10¹³
al	0,307	1	63242	9,46x10¹²
au	4,85x10^-6	1,58x10^-5	1	1,50x10⁸
km	3,24x10^-14	1,06x10^-13	6,68x10^-9	1

Références

FAQ : Tout savoir sur la constante de Hubble et l'expansion de l'Univers

Qu'est-ce que la constante de Hubble ?

La constante de Hubble est le taux d'expansion de l'Univers. Elle mesure la vitesse à laquelle une galaxie s'éloigne en fonction de sa distance. Sa valeur se situe entre 67 et 73 km/s/Mpc selon la méthode de mesure utilisée.

Quelle est la valeur actuelle de la constante de Hubble ?

Le satellite Planck, à partir du Fond Diffus Cosmologique, a mesuré 67,4 km/s/Mpc, tandis que l'équipe SH0ES, à partir des Céphéides et des supernovae de type Ia, obtient environ 73 km/s/Mpc. Cette différence, statistiquement très significative, est appelée tension de Hubble.

Qu'est-ce que la tension de Hubble ?

La tension de Hubble désigne le désaccord persistant, aujourd'hui supérieur à 5 écarts-types, entre la valeur de H₀ déduite de l'Univers primordial (Fond Diffus Cosmologique) et celle mesurée dans l'Univers proche (échelle des distances). Son origine reste débattue : erreur systématique non identifiée, ou nouvelle physique au-delà du modèle standard de la cosmologie.

Comment mesure-t-on les distances entre galaxies ?

Les astronomes utilisent une échelle des distances cosmiques : les Céphéides, des étoiles variables dont la luminosité réelle se déduit de leur période de pulsation, permettent de calibrer les supernovae de type Ia, utilisées comme chandelles standards pour les galaxies plus lointaines. La méthode de la pointe de la branche des géantes rouges (TRGB) offre un étalonnage indépendant.

Pourquoi l'expansion de l'Univers ne concerne-t-elle pas le système solaire ?

L'expansion ne s'applique qu'aux très grandes distances, entre amas de galaxies. Les systèmes liés par la gravité, comme le système solaire ou notre Galaxie, sont découplés de l'expansion. Leur cohésion gravitationnelle est bien plus forte que l'expansion de l'espace.

Qu'est-ce que le temps de Hubble ?

Le temps de Hubble est l'inverse de la constante de Hubble. Il donne une estimation de l'âge de l'Univers, soit environ 13,8 milliards d'années.

Qu'est-ce que le Fond Diffus Cosmologique ?

Le Fond Diffus Cosmologique (CMB) est un rayonnement fossile émis environ 380 000 ans après le Big Bang. Il constitue une photographie de l'Univers primordial et permet de mesurer la constante de Hubble.

L'expansion de l'Univers est-elle accélérée ?

Oui, depuis 1998, on sait que l'expansion de l'Univers est en accélération. Cette accélération est attribuée à l'énergie noire, une composante mystérieuse qui représente environ 69 % de l'Univers.

🏠