Comment une étoile peut-elle être plus vieille que l’univers ?

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. Elle parcourt rapidement le ciel à une vitesse de 800 000 mph (1,3 million de kilomètres par heure). Mais plus intéressant encore, HD 140283 – ou Mathusalem comme on l’appelle communément – est aussi l’une des plus anciennes étoiles connues de l’univers.

En 2000, les scientifiques ont cherché à dater l’étoile grâce à des observations via le satellite Hipparcos de l’Agence spatiale européenne (ESA), qui ont estimé son âge à 16 milliards d’années. Un tel chiffre était plutôt époustouflant et aussi assez déroutant. Comme l’a souligné l’astronome Howard Bond de l’université d’État de Pennsylvanie, l’âge de l’univers – déterminé à partir des observations du fond diffus cosmologique – est de 13,8 milliards d’années. « C’était une sérieuse divergence », a-t-il déclaré.

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Pris au pied de la lettre, l’âge prédit de l’étoile soulevait un problème majeur. Comment une étoile pouvait-elle être plus vieille que l’univers ? Ou, à l’inverse, comment l’univers pourrait-il être plus jeune ? Il était évident que Mathusalem – nommé ainsi en référence à un patriarche biblique qui serait mort à l’âge de 969 ans, ce qui en ferait le personnage le plus long de la Bible – était vieux, car la sous-géante pauvre en métaux est principalement composée d’hydrogène et d’hélium et contient très peu de fer. Sa composition signifiait que l’étoile devait avoir vu le jour avant que le fer ne devienne courant.

Mais plus de deux milliards d’années de plus que son environnement ? Ce n’est sûrement pas possible.

Regardons de plus près l’âge de Mathusalem

Bond et ses collègues se sont attelés à la tâche de déterminer si ce chiffre initial de 16 milliards était exact ou non. Ils ont épluché 11 séries d’observations qui avaient été enregistrées entre 2003 et 2011 par les capteurs de guidage fin du télescope spatial Hubble, qui notent la position, la distance et la production d’énergie des étoiles. En acquérant des mesures de parallaxe, de spectroscopie et de photométrie, une meilleure idée de l’âge a pu être déterminée.

« 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 d’obtenir cela correctement parce que nous pouvons mieux déterminer sa luminosité, et à partir de cela son âge – plus la luminosité intrinsèque est brillante, plus l’étoile est jeune. Nous recherchions l’effet de parallaxe, ce qui signifie que nous observions l’étoile à six mois d’intervalle pour rechercher le décalage de sa position dû au mouvement orbital de la Terre, ce qui nous indique la distance. »

Il y avait aussi des incertitudes dans la modélisation théorique des étoiles, comme les taux exacts des réactions nucléaires dans le noyau et l’importance des éléments qui diffusent vers le bas dans les couches extérieures, a-t-il dit. Ils ont travaillé sur l’idée que l’hélium restant diffuse plus profondément dans le noyau, laissant moins d’hydrogène à brûler par fusion nucléaire. Le combustible étant utilisé plus rapidement, l’âge est abaissé.

« Un autre facteur qui était important était, entre autres, la quantité d’oxygène dans l’étoile », a déclaré Bond. 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, cela pointait à nouveau vers un âge plus bas pour l’étoile.

Bond et ses collaborateurs ont estimé l’âge de HD 140283 à 14,46 milliards d’années – une réduction significative par rapport aux 16 milliards précédemment revendiqués. C’était cependant toujours plus que l’âge de l’univers lui-même, mais les scientifiques ont posé 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.

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« Comme toutes les estimations mesurées, elle est sujette à une erreur aléatoire et systématique », a déclaré le physicien Robert Matthews de l’Université Aston de Birmingham, au Royaume-Uni, qui n’a pas participé à l’étude. « Le chevauchement des barres d’erreur donne une certaine indication de la probabilité d’un conflit avec les déterminations de l’âge cosmologique », a déclaré Matthews. « En d’autres termes, l’âge le mieux étayé de l’étoile 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. »

Des raffinements supplémentaires ont vu l’âge de HD 140283 baisser un peu plus. Une étude de suivi de 2014 a mis à jour l’âge de l’étoile à 14,27 milliards d’années. « La conclusion à laquelle on est parvenu 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 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 situe 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 proche – qui ont tous deux été déterminés par des méthodes d’analyse différentes – est « une réalisation scientifique étonnante qui fournit des preuves très solides pour l’image du Big Bang de l’univers ». Selon lui, le problème de l’âge des étoiles les plus anciennes est bien moins grave qu’il ne l’était dans les années 1990, lorsque l’âge des étoiles approchait les 18 milliards d’années ou, dans un cas, les 20 milliards d’années. « Avec les incertitudes des déterminations, les âges sont maintenant en accord », a déclaré Bond.

Pour autant, Matthews estime que le problème n’est pas encore résolu. Les astronomes présents à une conférence internationale des meilleurs cosmologistes à l’Institut Kavli de physique théorique de Santa Barbara, en Californie, en juillet 2019, étaient perplexes face à des études qui suggéraient des âges différents pour l’univers. Ils examinaient des mesures de galaxies relativement proches qui suggèrent que l’univers est plus jeune de centaines de millions d’années par rapport à l’âge déterminé par le fond diffus cosmologique.

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En fait, loin d’être âgé de 13,8 milliards d’années, comme l’ont estimé les mesures détaillées du rayonnement cosmique du télescope spatial européen Planck en 2013, l’univers pourrait être aussi jeune que 11,4 milliards d’années. L’un des auteurs de ces études est le lauréat du prix Nobel Adam Riess, de l’Institut scientifique du télescope spatial de Baltimore, dans le Maryland.

Les conclusions reposent sur l’idée d’un univers en expansion, comme l’a montré Edwin Hubble en 1929. Cette notion est fondamentale pour le Big Bang – la compréhension qu’il y avait autrefois un état de densité chaude qui a explosé, étirant l’espace. Il indique un point de départ qui devrait être mesurable, mais des découvertes fraîches suggèrent que le taux d’expansion est en fait environ 10% plus élevé que celui suggéré par Planck.

En effet, l’équipe de Planck a déterminé que le taux d’expansion était de 67,4 km par seconde par mégaparsec, mais des mesures plus récentes prises sur le 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 d’expansion de l’univers aujourd’hui et les prédictions de la vitesse d’expansion basée sur 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 noire, que l’on pense être derrière cette énigme.

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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 qu’une valeur de 73, ou même aussi élevée que 77 comme l’ont montré certaines études, indiquerait un âge de l’univers ne dépassant pas 12,7 milliards d’années. C’est un décalage qui suggère, une fois de plus, que HD 140283 est plus ancienne que l’univers. Elle a également été supplantée depuis 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 plus grand raffinement cosmologique. « Je soupçonne que les cosmologistes d’observation ont manqué quelque chose qui crée ce paradoxe, plutôt que les astrophysiciens stellaires », a-t-il déclaré, soulignant que les mesures des étoiles sont peut-être plus précises. « Ce n’est pas parce que les cosmologistes sont en aucune façon plus négligents, mais parce que la détermination de l’âge de l’univers est soumise à des incertitudes observationnelles et théoriques plus nombreuses et sans doute plus délicates que celle des étoiles. »

Alors, comment les scientifiques vont-ils s’y retrouver ?

Mais qu’est-ce qui pourrait faire que l’univers semble potentiellement plus jeune que cette étoile particulière ?

« 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, il s’agirait de sources d’erreurs d’observation qui n’ont pas été entièrement comprises, plus certaines lacunes dans la théorie de la dynamique de l’univers, comme la force de l’énergie sombre, qui est le principal moteur de l’expansion cosmique depuis plusieurs milliards d’années maintenant. »

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Il suggère la possibilité que le « paradoxe de l’âge » actuel reflète une variation temporelle de l’énergie noire, et donc un changement du taux d’accélération – une possibilité qui, selon les théoriciens, pourrait être compatible avec les idées sur la nature fondamentale de la gravité, comme la théorie dite 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 diffus cosmologique ou la surveillance d’objets proches tels que les variables céphéides et les supernovae pour mesurer la constante de Hubble – le premier aboutissant à la vitesse de 67 km par seconde par mégaparsec et le second à 73.

Le problème est que mesurer les ondes gravitationnelles n’est pas une tâche facile, étant donné qu’elles n’ont été détectées directement pour la première fois qu’en 2015. Mais selon Stephen Feeney, astrophysicien à l’Institut Flatiron de New York, une percée pourrait être réalisée au cours de la prochaine décennie. L’idée est de recueillir des données à partir de collisions entre des paires d’étoiles à neutrons en utilisant la lumière visible que ces événements émettent pour déterminer la vitesse à laquelle elles se déplacent par rapport à la Terre. Il s’agit également d’analyser les ondes gravitationnelles qui en résultent pour avoir 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 débouche sur quelque chose de plus grand et de plus complexe scientifiquement, modifiant la compréhension du fonctionnement de l’univers.

« Les explications les plus probables du paradoxe sont un effet observationnel négligé et/ou quelque chose de gros manquant à notre compréhension de la dynamique de l’expansion cosmique », a déclaré Matthews. Précisément ce qu’est ce « quelque chose », est sûr de garder les astronomes défiés pendant un certain temps.

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