La méthode classique pour déterminer la constante de Hubble consiste tout d’abord à mesurer la distance au LMC et d’utiliser cette distance pour étalonner la relation entre la période des Céphéides et leur luminosité. Les Céphéides sont des étoiles pulsantes particulièrement brillantes découvertes par Henrietta Leavitt en 1908. La relation période-luminosité, appliquée aux Céphéides détectées dans les galaxies lointaines, permet ensuite d’étalonner à son tour la luminosité intrinsèque de certains évènements rares mais extrêmement brillants, et donc détectables de très loin dans l’univers, à savoir les supernovae de Type 1a ou SN1a. A l’affût des supernovae SN1a, les astronomes cartographient l’univers proche, et peuvent enfin mesurer directement le taux d’expansion de l’univers, la fameuse constante de Hubble. Par cette approche, on peut ainsi étudier le problème épineux de l’énergie noire (cf. Prix Nobel de physique 2011).

Dans cet échafaudage, le point clef est donc la distance au LMC. Le Grand Nuage de Magellan est effectivement une galaxie extrêmement favorable pour étudier les Céphéides. Plus de 4000 Céphéides y sont répertoriées, soit plus que dans notre propre galaxie la Voie Lactée. On peut trouver dans les revues spécialisées en astrophysique plusieurs centaines d’estimations de distance du LMC, basées sur un grand nombre d’objets astrophysiques. Néanmoins, chaque méthode possède ses propres biais. La méthode ainsi proposée par l’équipe du Projet Araucaria, basée sur les étoiles de type binaires à éclipses, est une technique simple, géométrique, très précise, pour laquelle les biais de mesure sont très bien maîtrisés.

Une étoile peut graviter autour d’un compagnon et l’éclipser de manière régulière, tout comme la Lune peut éclipser le Soleil. Les variations de lumière ainsi enregistrées, ainsi que des variations de mesure de vitesse, permettent de contraindre avec précision le rayon des deux étoiles qui composent le système. Parallèlement, on utilise le fait que ces étoiles rayonnent de manière similaire, avec plus particulièrement une relation entre la température ou la couleur de l’étoile, sa magnitude apparente et son diamètre angulaire. Finalement, en combinant l’estimation du rayon des deux étoiles de la binaire à éclipse, avec l’estimation des diamètres angulaires, on obtient une estimation précise de sa distance.

Mais ceci est plus facile à dire qu’à faire. En effet, les binaires à éclipses utilisées dans cette étude sont des objets « froids » et faibles en luminosité. Ainsi, l’équipe a suivi près de 35 millions d’étoiles dans le LMC pendant plus de 20 ans. Sur ces 35 millions d’objets, vingt binaires à éclipses seulement ont été soigneusement sélectionnées, puis suivies à l’aide de grands télescopes pendant 15 ans. En combinant la distance estimée des vingt binaires à éclipse observées, l’équipe a mesuré une distance au LMC de 162 000 années-lumière, soit 1 530 019 000 000 000 000 km (1,53 milliard de milliards de kilomètres) avec une précision encore jamais atteinte de 1 %.

Figure extraite du papier Nature Pietrzynski et al. (2019). Il s’agit des vingt binaires à éclipses détectées
dans le Grand Nuage de Magellan, la plus proche galaxie satellite de la Voie Lactée.
Grâce à une mesure précise de la distance de ces vingt binaires à éclipse, une distance au Nuage de Magellan
a été obtenue avec une précision inégalée de 1.0%.

Il s'agit de la première mesure de distance d'une galaxie avec une telle précision. Elle donne ainsi la meilleure référence absolue pour l'échelle des distances extragalactiques et donc pour la mesure de la constance de Hubble, actuellement objet d'une controverse.

Cette mesure est aussi fondamentale pour mieux comprendre la nature de la mystérieuse énergie noire. D’autres retombées sont attendues comme une meilleure connaissance de toutes les classes d'objets célestes situés dans le LMC, ou encore l’étalonnage et la validation d'autres méthodes de mesure de distance, par exemple les mesures de parallaxes obtenues par le satellite européen Gaia de l'Agence Spatiale Européenne (ESA).

Figure d’artiste. Pour la première fois, l’équipe du projet Araucaria a déterminé la distance du Grand Nuage de Magellan avec une précision de 1%.
Cette précision est comparable par exemple à celle que l’on peut atteindre sur la mesure de la taille d'une personne,
à la « simple » différence que dans le cas du LMC, la distance mesurée correspond
à 1 530 019 000 000 000 000 +/- 15 300 190 000 000 000 km (ou 161 741 +/- 1617 années-lumière)

L’apport français à ce résultat est décisif et relève d’une expertise reconnue en interférométrie optique à longue base. L’obtention d’une telle précision n’aurait pas été possible sans un nouvel étalonnage de la relation entre la couleur de l’étoile, sa magnitude apparente et son diamètre angulaire. Il a été réalisé grâce à l'instrument français PIONIER placé au foyer du grand interféromètre optique européen de l'Observatoire Européen Austral (ESO), le Very Large Telescope Interferometer (VLTI) installé au nord du Chili. Les équipes françaises possèdent une position privilégiée au niveau international pour la conception, le développement et l’exploitation des instruments interférométriques.

Ces travaux de recherche rapportés ont bénéficié du soutien de l'Agence Nationale de la Recherche (ANR, projet UnlockCepheids) et du Conseil Européen de la Recherche (ERC, projet CepBin).

Référence

A distance to the Large Magellanic Cloud that is precise to one per cent, Nature, 14 mars 2019.

Contacts

Nicolas Nardetto (Université Côte d'Azur, Observatoire de la Côte d'Azur, CNRS, Laboratoire Lagrange), membre du projet Araucaria et membre du projet ANR UnlockCepheids - Nicolas.Nardetto@oca.eu
Pierre Kervella (UMR 8109, LESIA, Observatoire de Paris), membre du projet Araucaria et responsable du projet ANR UnlockCepheids - pierre.kervella@obspm.fr