Deux mesures qui ne s'accordent pas

aujourd'hui (~13,8 Ga)

De barreau en barreau

Quand la Terre tourne autour du Soleil, une étoile proche semble se déplacer légèrement sur le fond des étoiles lointaines, et l'amplitude de ce va-et-vient, la parallaxe, donne sa distance par simple triangulation. C'est le premier barreau, et il est géométrique : rien n'y entre que l'orbite de la Terre et une année pour voir l'étoile aller et revenir. Ces distances étalonnent des étoiles pulsantes, les céphéides, dont l'éclat réel se déduit du rythme de leurs pulsations, et qui brillent assez pour être vues dans des galaxies voisines. Dans certaines de ces galaxies ont explosé des supernovas de type Ia, celles qui ont révélé l'accélération en 1998 ; les céphéides étalonnent ces supernovas, et les supernovas, visibles à des distances bien plus grandes, donnent enfin celle de galaxies assez éloignées pour que l'expansion domine leur mouvement. Chaque barreau s'appuie sur le précédent, de proche en proche.

Ce que l'échelle mesure tient en deux nombres par galaxie : la vitesse à laquelle elle s'éloigne, lue dans son spectre par le décalage vers le rouge, et sa distance. Leur rapport s'appelle la constante de Hubble, H0, en kilomètres par seconde et par mégaparsec, un mégaparsec faisant 3,26 millions d'années-lumière. Le nombre est le même partout ; il ne décrit pas un mouvement des galaxies dans l'espace, mais l'étirement de l'espace entre elles, pris aujourd'hui. Les supernovas qui servent à l'obtenir sont lointaines à l'échelle humaine, proches à l'échelle cosmique : leur lumière n'a voyagé qu'une petite fraction de l'âge de l'Univers, un trajet trop court pour que l'expansion ait changé de rythme, et l'échelle ne suppose presque rien de l'histoire de l'expansion. L'équipe SH0ES obtient ainsi, en 2022, 73,04 ± 1,04 km/s/Mpc.

Le chapitre précédent a laissé le modèle standard en position de force : trois méthodes sans rapport entre elles, les supernovas, les oscillations acoustiques des baryons et le fond diffus, réclament la même composante qui ne se dilue pas, et ΛCDM rend compte de toutes avec six paramètres. Un modèle qui rend compte de trois lumières d'âges différents avec six paramètres fait des prédictions, et l'une d'elles porte sur ce même nombre, la vitesse à laquelle l'espace s'étire aujourd'hui.

Ce que le modèle attend pour aujourd'hui

Sur la carte de Planck, les ondes sonores figées vers 380 000 ans se voient sous un angle. Leur taille réelle, l'horizon sonore, se calcule avec la physique du plasma primordial. Le rapport des deux donne la distance de la surface d'où la lumière est partie. Et pour aller de cette distance à la vitesse d'aujourd'hui, il faut toute l'histoire de l'expansion entre 380 000 ans et maintenant, que personne n'a vue et que le modèle suppose : un espace plat, de la matière ordinaire, de la matière noire froide, une énergie noire constante. Planck en tire 67,4 ± 0,5 km/s/Mpc, et ses auteurs écrivent eux-mêmes que ce paramètre est « inféré » « en supposant la cosmologie ΛCDM de base ». Ce chiffre est ce que le modèle attend pour aujourd'hui, lu sur une lumière partie quand l'Univers avait 380 000 ans.

Les deux chemins aboutissent à 73 et à 67. L'écart fait environ 9 % ; rapporté aux incertitudes des deux mesures, il vaut cinq écarts-types. Un écart-type, noté σ, mesure l'incertitude statistique d'un résultat, et cinq écarts-types sont le seuil à partir duquel les physiciens tiennent une différence pour réelle plutôt que due au hasard des mesures.

La comparaison vaut par ce que la prédiction contient. Le chiffre du fond diffus suppose que le plasma d'avant 380 000 ans contenait exactement la matière ordinaire, la matière noire, les photons et les neutrinos que le modèle y met : la soupe de ce livre, et sa première lumière. Il suppose que la recombinaison s'est faite comme la physique atomique le dit, que la matière noire est froide et que sa quantité n'a pas changé, que l'énergie noire a gardé la même densité pendant treize milliards d'années. Chapitre après chapitre, presque tout ce que ce livre a raconté depuis la première lumière entre dans ce seul calcul ; la mesure locale, elle, ne suppose rien de tout cela, elle regarde des étoiles osciller et des explosions pâlir. Si les deux bouts de la chaîne s'accordent, la chaîne entière tient. S'ils ne s'accordent pas, un maillon cède quelque part, dans le modèle ou dans l'échelle des distances. En 2022, l'équipe SH0ES concluait que « l'origine de ce désaccord désormais ancien reste inconnue ».

Le désert et le pôle

Dans le désert d'Atacama, au Chili, et au pôle Sud, deux télescopes, ACT et SPT, regardent à travers l'atmosphère la même lumière que Planck observait depuis l'espace, avec d'autres détecteurs et sur d'autres régions du ciel. Jusqu'à récemment, la valeur basse reposait pour l'essentiel sur un seul satellite ; une erreur propre à cet instrument, dans son étalonnage ou dans le traitement des émissions de la Galaxie qui se superposent au fond diffus, se serait propagée dans tous ses résultats. Pour l'écarter, il fallait refaire la carte avec d'autres instruments.

En 2025, l'équipe de SPT-3G, la caméra actuelle du télescope du pôle Sud, publie l'analyse de ses observations de 2019 et 2020. Seule, sans Planck, elle obtient 66,66 ± 0,60 km/s/Mpc, à 6,2σ des mesures locales de SH0ES, un peu plus bas encore que le satellite. Le même article marque, selon ses auteurs, « un jalon pour la cosmologie du fond diffus » : pour la première fois, les données combinées des télescopes au sol, ACT et SPT, atteignent la puissance de Planck sur certains paramètres. Leurs erreurs possibles ne sont pas celles d'un satellite, et qu'ils retrouvent la même valeur écarte une erreur propre à Planck. Les trois expériences réunies donnent 67,19 ± 0,38 km/s/Mpc, la contrainte la plus précise jamais tirée du fond diffus, et les données du fond diffus seules, précise l'équipe, ne montrent aucun signe de physique au-delà de ΛCDM.

Cette confirmation a une portée précise. Elle porte sur la carte et sur les angles qu'on y lit, pas sur la taille calculée ni sur l'histoire supposée : Planck, ACT et SPT analysent leurs cartes avec la même physique d'avant la recombinaison et le même modèle, et s'il manque un ingrédient à cette physique, il manque pour les trois. Trois instruments ne vérifient qu'une carte ; l'horizon sonore et le trajet, aucun d'eux ne les regarde.

Du côté local, la réponse à la même objection a pris la forme d'un rapport collectif. En 2025, le réseau H0DN, pour H0 Distance Network, publie un rapport de consensus signé par plus de cent chercheurs. Il ne repose pas sur une seule échelle : il combine des parallaxes, des étoiles doubles qui s'éclipsent l'une l'autre, des masers, sources d'émission radio intense dans le disque de certaines galaxies, des céphéides, des géantes rouges et d'autres encore, chaque barreau pouvant être posé par plusieurs routes, et une route biaisée se trahissant par son désaccord avec les autres. Le résultat de base est 73,50 ± 0,81 km/s/Mpc, une valeur que ses auteurs jugent « robustement déterminée ». Elle se trouve à 7,1σ de la combinaison Planck + SPT + ACT, 6,31 km/s/Mpc d'écart pour une incertitude combinée de 0,89. Elle se trouve aussi à 5,0σ d'une combinaison qui se passe entièrement du fond diffus : la nucléosynthèse primordiale, qui fixe la quantité de matière ordinaire, associée aux oscillations acoustiques mesurées par DESI, qui retrouvent le même horizon sonore dans la répartition des galaxies. Cette seconde route vers une valeur basse n'emprunte aucune carte du fond diffus ; elle s'appuie, elle aussi, sur la physique de l'Univers primordial.

Le sommet des géantes rouges

Une étoile de faible masse qui a épuisé l'hydrogène de son cœur gonfle en géante rouge et devient de plus en plus lumineuse, jusqu'à un maximum au-delà duquel son évolution change brutalement. Ce maximum d'éclat est à peu près le même pour toutes les étoiles de ce type ; on l'appelle le sommet de la branche des géantes rouges, et il sert d'étalon de distance. L'équipe de Wendy Freedman, le Chicago Carnegie Hubble Program, a construit son échelle sans les céphéides : elle étalonne les supernovas avec ce sommet, qu'elle mesure avec le télescope spatial Webb dans les galaxies qui ont abrité des supernovas.

Le résultat tombe entre 68,4 et 69,6 km/s/Mpc, selon celui des quatre jeux de mesures de supernovas qu'on utilise. Deux choses se voient dans ce chiffre. Sa place : entre les deux camps, mais plus près du fond diffus, la borne haute, 69,6, dépassant de 2,4 km/s/Mpc la valeur du fond diffus et restant à 3,9 sous celle de H0DN. Sa fourchette : changer d'échantillon de supernovas, à étalonnage égal, fait bouger H0 de 1,2 km/s/Mpc, davantage que l'incertitude totale annoncée par H0DN. Les sources de ce livre ne donnent pas l'incertitude propre à chacune des quatre valeurs, et ne permettent donc pas de dire à combien d'écarts-types elles se trouvent de l'un ou l'autre camp.

Le seuil de cinq écarts-types dit qu'un écart est trop grand pour être dû au hasard des mesures ; il ne dit pas d'où vient l'écart. Une erreur systématique décale toutes les mesures d'une méthode dans le même sens, elle ne diminue pas quand on multiplie les observations, et elle peut produire un écart très significatif et entièrement faux. C'est sur ce terrain que le CCHP demande davantage d'observations du sommet des géantes rouges avec Webb et des analyses indépendantes des supernovas proches, « pour continuer à élucider la vraie nature de la tension de Hubble ». Les deux positions se dessinent ainsi : d'un côté SH0ES et le réseau H0DN, qui jugent la valeur locale « robustement déterminée » ; de l'autre le CCHP, qui soupçonne dans l'échelle des distances locales des erreurs qui la tireraient vers le haut, sans que les sources de ce livre disent lesquelles, ni pourquoi les deux camps divergent alors que H0DN compte lui aussi les géantes rouges parmi ses indicateurs. Même la mesure locale la plus basse publiée reste au-dessus de la valeur du fond diffus, et même la plus haute n'a pas convaincu toute la communauté qui la produit.

Retoucher la règle

Si la valeur locale est juste, le modèle doit céder quelque part, et des trois étages du calcul le premier n'offre aucune prise : l'angle est lu sur la carte à 0,03 % près, presque indépendamment du modèle, et trois instruments s'accordent sur la carte. Le troisième, l'histoire de l'expansion tardive, est supposé, et on pourrait imaginer de la modifier pour que la même distance corresponde à un H0 plus élevé ; mais cette histoire n'est plus seulement supposée, les oscillations acoustiques des baryons et les supernovas la mesurent, époque par époque, sur les onze derniers milliards d'années, et toute retouche tardive doit s'accorder avec ces relevés.

Reste le deuxième, l'horizon sonore : 144,43 ± 0,26 mégaparsecs, calculés avec la physique d'avant 380 000 ans, et une marge qui ne couvre que les fluctuations statistiques à l'intérieur de cette physique, la liste des ingrédients du plasma étant tenue pour complète. C'est là que Lloyd Knox et Marius Millea situent les solutions les plus plausibles, celles qui augmentent le taux d'expansion avant la recombinaison, et la suite se déroule d'elle-même. Un Univers qui s'étend plus vite atteint plus tôt les 3 000 kelvins où les atomes se forment. Le son a moins de temps pour voyager dans le plasma ; la règle rétrécit. L'angle sous lequel on la voit est mesuré et ne bouge pas, et une règle plus courte vue sous le même angle est plus proche : la surface d'où la lumière est partie se rapproche. Pour que la lumière partie d'une surface plus proche arrive avec le même étirement, il faut que l'expansion ait été plus rapide sur le trajet. Le H0 déduit augmente, l'âge diminue : deux nombres tirés de la même carte, qui changent ensemble si la physique d'avant la recombinaison change.

Plusieurs mécanismes pourraient faire cela. Une énergie noire précoce, une composante supplémentaire qui aurait pesé un peu dans le budget de l'Univers peu avant la recombinaison, puis se serait effacée. Une recombinaison modifiée, dans son moment ou dans son déroulement. Une masse de l'électron légèrement différente à cette époque, qui déplacerait les niveaux d'énergie de l'atome d'hydrogène, donc la température à laquelle les électrons se lient aux noyaux, donc la date de la recombinaison. L'analyse de SPT-3G, combinée aux oscillations acoustiques, trouve de légères préférences pour plusieurs modèles ainsi modifiés, entre 2 et 3σ, et aucune n'est établie. Ces solutions ne sont pas libres : toucher à la physique d'avant la recombinaison modifie aussi la manière dont les photons diffusent dans le plasma et la forme des oscillations, que la carte enregistre avec la même précision que leur position, et une solution doit raccourcir la règle d'environ ce qu'il faut sans abîmer le reste d'un spectre que ΛCDM ajuste déjà très bien.

Un second écart, plus faible, apparaît à la jonction entre le fond diffus et les galaxies. Dans ΛCDM, les paramètres tirés du fond diffus et ceux tirés des oscillations acoustiques de DESI ne s'accordent pas tout à fait : 2,3σ selon l'équipe de DESI, 2,8σ selon celle de SPT-3G, moins que le seuil d'une découverte et bien moins que la tension sur H0. Mais cet écart porte sur l'accord entre l'Univers primordial et l'Univers des derniers milliards d'années, c'est-à-dire exactement sur la période où l'énergie noire agit.

Quatorze millions de galaxies

Le relevé DESI, pour Dark Energy Spectroscopic Instrument, a construit la plus vaste carte en trois dimensions de l'Univers jamais réalisée, plus de 14 millions de galaxies et de quasars dans ses données de 2025, et il y suit l'influence de l'énergie noire sur les onze derniers milliards d'années. La méthode est celle du chapitre précédent : l'horizon sonore figé à 380 000 ans a laissé dans la répartition des galaxies une légère préférence pour un certain écart entre elles, et l'on retrouve cet écart à différentes distances, donc à différentes époques, couche après couche, en remontant vers la première lumière. Là où le fond diffus donne un point de départ et les mesures locales un point d'arrivée, DESI relève le trajet.

Ce qu'on cherche sur ce trajet est le comportement de l'énergie noire, que les cosmologistes résument par son équation d'état w, le rapport entre sa pression et sa densité d'énergie ; pour une constante cosmologique, dont la densité ne change jamais, w vaut exactement −1, en tout temps. DESI laisse w varier et le décrit par deux nombres, w0, sa valeur aujourd'hui, et wa, de combien il a changé au cours de l'expansion ; une constante correspond à w0 = −1 et wa = 0. Les données de 2025 préfèrent w0 > −1 et wa < 0, à 3,1σ avec le fond diffus, de 2,8 à 4,2σ en ajoutant les supernovas, selon l'échantillon utilisé. C'est une énergie noire qui se comporterait aujourd'hui un peu moins qu'une constante, sa densité diminuant lentement quand l'Univers s'étend, et dont le w était plus bas dans le passé ; plusieurs analyses placent il y a environ cinq milliards d'années son passage d'une valeur inférieure à −1, dite « fantôme », où la densité croît quand l'espace grandit, à une valeur supérieure. Pris au pied de la lettre, le signal dit une énergie noire qui aurait crû pendant une partie de l'histoire, puis se serait mise à décliner.

Les supernovas apportent à ce signal les distances relatives des époques récentes, et trois grands échantillons coexistent, dont celui du Dark Energy Survey, sur lequel reposait le chiffre de 4,2σ. En 2026, l'équipe de DES réanalyse son programme avec un étalonnage révisé de ses quelque 1 800 supernovas, l'échantillon DES-Dovekie, et la préférence tombe à 3,2σ, une « faible préférence » selon ses auteurs. Un écart-type entier a disparu sans qu'une seule nouvelle observation du ciel soit faite, par la seule révision de la manière dont on mesure l'éclat des supernovas, les mêmes objets dont dépend aussi l'échelle locale de H0.

Une autre analyse montre d'où vient la préférence. Limitée aux seules données de l'Univers tardif, sans le fond diffus, elle ne trouve pas de préférence robuste pour une énergie noire variable, entre 1,1 et 2,3σ selon les modèles ; le signal se renforce quand on ajoute le fond diffus. Il naît donc en partie de la confrontation entre l'Univers primordial et l'Univers récent, la même jonction où apparaît l'écart de 2,3 à 2,8σ dans ΛCDM. Les deux constats sont compatibles avec une énergie noire réellement variable, qui expliquerait ce désaccord de raccord ; ils le sont aussi avec un désaccord de raccord dont l'origine serait ailleurs et qu'une énergie noire variable se contenterait d'absorber dans l'ajustement, et les sources de ce livre ne départagent pas ces deux lectures.

Aucune combinaison n'atteint les 5σ exigés d'une découverte. En septembre 2026, le signal de DESI est un indice sérieux : il se retrouve dans plusieurs combinaisons de données, il a été assez fort pour qu'une équipe réanalyse ses supernovas, et il a faibli à cette réanalyse, ni confirmé ni réfuté. Les deux doutes de ce chapitre ne portent pas sur la même époque, l'un sur la physique d'avant 380 000 ans, l'autre sur l'énergie noire des derniers milliards d'années, et rien, dans les sources de ce livre, ne dit si l'un réduirait ou aggraverait l'autre.

Le Soleil ne bougerait pas

L'âge de référence, 13,787 ± 0,020 milliards d'années, dépend de deux choses : la vitesse de l'expansion aujourd'hui, et la composition, qui dit comment cette vitesse a changé. Il est calculé dans ΛCDM avec les données de Planck et les oscillations acoustiques des baryons. Sa marge de vingt millions d'années est le jeu des mesures à l'intérieur du modèle, de combien l'âge varierait si l'on refaisait les observations en tenant le modèle pour vrai ; l'erreur qu'on ferait si le modèle était faux n'a pas de marge.

Pour donner une taille à cette erreur possible, on peut faire une règle de trois, puisqu'à composition égale l'âge varie comme l'inverse de H0. Avec 73,5 km/s/Mpc à la place de la valeur basse, il tomberait à environ 12,7 milliards d'années. Le calcul est fait pour ce livre ; il n'est pas publié tel quel, et il ignore qu'une solution réelle à la tension modifierait aussi les autres paramètres. Il donne la taille de l'enjeu, un peu plus d'un milliard d'années. Pour les solutions précoces, l'enchaînement de Knox et Millea dit dans quel sens l'âge bougerait, vers le bas, et les sources de ce livre ne donnent pour aucun modèle précis l'âge qu'il prédit.

Une énergie noire variable ferait beaucoup moins bouger l'âge. Elle agit sur les derniers milliards d'années, quand l'énergie noire pèse dans le bilan ; avant, la matière dominait, et elle ne modifierait qu'une partie du compte, d'une quantité que les écarts de w observés laissent modeste, un raisonnement que les sources ne chiffrent pas. Les dates comptées depuis le début de la phase chaude, les premières minutes de la nucléosynthèse et les 380 000 ans de la première lumière, ne changeraient presque pas : le rythme de l'expansion à ces époques est fixé par les densités de la matière et du rayonnement que la carte mesure, l'énergie noire en représentait alors de l'ordre du milliardième, et le H0 d'aujourd'hui n'y entre pas. Une seule famille d'hypothèses y toucherait, celles qui accélèrent l'expansion avant la recombinaison : un Univers plus rapide atteint plus tôt les 3 000 kelvins, les 380 000 ans raccourcissent un peu, d'une quantité que la carte limite.

Les dates comptées depuis aujourd'hui, au contraire, héritent de toute l'incertitude ; « le fond diffus a été émis il y a 13,8 milliards d'années » vaut exactement ce que vaut l'âge de l'Univers. Le Système solaire montre la différence. Son « il y a », 4 567,30 millions d'années, est lu par une horloge radioactive dans des météorites, sans aucune cosmologie ; son « après le Big Bang », environ 9,2 milliards d'années, s'obtient en le retranchant de l'âge de l'Univers, et deviendrait environ 8,1 milliards d'années avec la règle de trois. Le Soleil ne bougerait pas : ses pierres marqueraient la même heure, et l'horloge enfermée dans les météorites continuerait de tourner au même rythme. C'est le début de la phase chaude qui se rapprocherait de lui, d'un peu plus d'un milliard d'années, le premier jour remontant vers l'étoile comme une rive vers une maison qui n'a pas changé de place.

Un garde-fou indépendant limite ces révisions : l'Univers ne peut pas être plus jeune que ses étoiles, et l'âge d'une étoile se calcule par les modèles d'évolution stellaire, sans passer par l'expansion. Pour l'étoile dite Mathusalem, ces modèles donnent 14,27 ± 0,80 milliards d'années, un âge compatible avec celui que calcule Planck. Le garde-fou est lâche, sa marge bien plus large que celle de Planck ; il n'est pas muet. Un Univers de 12,7 milliards d'années se trouverait un milliard et demi sous la valeur centrale de l'étoile, le double de sa marge, sans compter les quelques centaines de millions d'années qu'il a fallu pour que naissent les premières étoiles. Une solution à la tension qui rajeunirait beaucoup l'Univers rouvrirait la question qu'avait close la découverte de 1998, celle d'un Univers plus jeune que ses étoiles.

Le premier jour est calculé avec une physique testée, et ses dates tiennent quelle que soit l'issue des deux tensions. Le présent dépend d'une composante dont la nature est inconnue, dont la constance vient d'être mise en doute par DESI, et dont le rythme d'expansion oppose deux méthodes. C'est de cette composante que dépend aussi ce qui vient : le sort de l'Univers est fixé par la quantité d'énergie noire et par son équation d'état, une constante promettant une expansion sans fin, une énergie noire qui varie ouvrant d'autres issues. La période la moins bien comprise de toute cette histoire est celle d'où on la regarde.