La constante de Hubble H₀ mesure le taux actuel d'expansion de l'Univers. Estimée entre 67 et 73 km/s/Mpc selon la méthode, elle cristallise la « tension de Hubble » — désaccord majeur en cosmologie moderne.
Quand on observe les galaxies lointaines, on constate qu'elles s'éloignent toutes de nous, et plus elles sont lointaines, plus elles s'éloignent vite. La constante de Hubble quantifie précisément cette proportionnalité. C'est le paramètre qui dit : pour chaque mégaparsec de distance, la galaxie s'éloigne de H₀ kilomètres par seconde de plus.
Attention à l'image mentale. Ce n'est pas que la Voie lactée occuperait un centre privilégié de l'Univers. Toutes les galaxies voient la même chose : chacune constate que ses voisines s'éloignent proportionnellement à leur distance. La métaphore classique : un ballon qu'on gonfle. Collez-y des points — vu depuis n'importe quel point, les autres s'éloignent tous, et les plus lointains vont plus vite. Ce n'est pas un mouvement des galaxies dans l'espace, c'est l'espace lui-même qui s'étire.
La loi de Hubble-Lemaître s'écrit :
v = H₀ · d
Exemple concret. La galaxie d'Andromède (M31) est à 0,78 Mpc. À 70 km/s/Mpc, elle devrait fuir à ~55 km/s. En réalité elle s'approche à 110 km/s, car sa vitesse propre dépasse la vitesse d'expansion locale (nous sommes gravitationnellement liés à elle dans le Groupe local). À partir de ~5-10 Mpc (au-delà du Groupe local), l'expansion cosmique l'emporte et la loi devient mesurable.
La filiation historique est riche. Vesto Slipher mesure les premiers redshifts de « nébuleuses spirales » dès 1912 (il ne sait pas encore que ce sont des galaxies). Edwin Hubble démontre en 1924 que M31 est bien une galaxie extérieure à la nôtre, grâce aux céphéides. En 1927, Georges Lemaître publie en français la relation vitesse-distance et propose un Univers en expansion — travail passé quasi inaperçu. En 1929, Hubble republie la loi avec des données plus étoffées : elle entre dans l'histoire sous son nom. H₀ est désormais le paramètre-roi de la cosmologie : il fixe à lui seul l'âge, la taille et le taux d'expansion de l'Univers.
La valeur moderne de H₀ se situe entre 67 et 73 km/s/Mpc. Le chiffre brut étonne par ses unités hybrides — une vitesse divisée par une distance donne bien l'inverse d'un temps. Convertir : 70 km/s/Mpc ≈ 2,27 × 10⁻¹⁸ s⁻¹ ≈ 1/(14 milliards d'années).
C'est pourquoi 1/H₀ ≈ âge de l'Univers (au facteur près qui dépend de Ω_m et Ω_Λ). Le temps de Hubble t_H = 1/H₀ donne 13,97 milliards d'années pour H₀ = 70 km/s/Mpc — à comparer à l'âge réel mesuré par Planck : 13,797 milliards d'années. Très proche, mais pas identique, ce qui confirme que l'expansion n'est pas strictement linéaire (décélération dans le passé, accélération depuis ~6 milliards d'années).
La distance de Hubble d_H = c/H₀ ≈ 4 300 Mpc ≈ 14 milliards d'années-lumière fixe l'échelle des distances cosmologiques.
Le paramètre sans dimension h = H₀ / (100 km/s/Mpc) apparaît fréquemment dans les articles (ex. h ≈ 0,7). De nombreuses quantités cosmologiques s'expriment en unités de h⁻¹ Mpc pour être robustes face à l'incertitude sur H₀.
Valeurs historiques. Hubble 1929 : 500 km/s/Mpc (faux d'un facteur 7, à cause d'étalonnages erronés des céphéides par Shapley). Révision Baade 1952 : 250 km/s/Mpc. Allan Sandage 1970s : 50-55 km/s/Mpc. Gérard de Vaucouleurs 1970s : 100 km/s/Mpc — célèbre « guerre des H₀ ». Résolution partielle par Hubble Space Telescope Key Project (Freedman et al. 2001) : 72 ± 8 km/s/Mpc. Depuis 2013, la précision est passée sous les 2 km/s/Mpc — mais un désaccord structurel est apparu.
C'est le débat chaud de la cosmologie contemporaine. Deux méthodes de mesure indépendantes, chacune extrêmement bien contrainte, donnent des valeurs différentes. On parle de tension de Hubble.
Méthode CMB (indirect, Univers primordial). Le satellite Planck mesure les anisotropies du fond diffus cosmologique, ajuste un modèle ΛCDM à six paramètres, et en déduit H₀. Résultat : H₀ = 67,4 ± 0,5 km/s/Mpc (2018). Cette méthode dépend du modèle cosmologique supposé.
Méthode échelle des distances (direct, Univers local). On calibre successivement : parallaxes Gaia → céphéides de la Voie lactée → céphéides des galaxies proches → supernovae Ia dans ces mêmes galaxies → supernovae Ia plus lointaines dans le flot de Hubble. La collaboration SH0ES (Adam Riess et al. 2022) obtient H₀ = 73,04 ± 1,04 km/s/Mpc. Indépendante du modèle.
Écart = 5,6 σ. Statistiquement très significatif. Les deux valeurs ne peuvent pas coïncider par hasard.
Trois familles d'explications circulent :
1. Systématique non identifiée dans l'une des deux chaînes de mesure. Les contrôles croisés (JWST 2023-2024 sur céphéides et sommet de la branche des géantes rouges TRGB, méthode Carnegie-Chicago) n'ont pas fait disparaître la tension.
2. Nouvelle physique. Modèles d'énergie noire précoce (Early Dark Energy), nouvelle espèce de neutrino relativiste, champs scalaires atypiques. Aucun ne réconcilie simultanément toutes les contraintes.
3. Fluctuation locale. Nous habiterions une région sous-dense (« Hubble bubble ») qui accélérerait localement l'expansion apparente. Plausibilité limitée selon les simulations.
La tension est l'un des indices les plus sérieux d'une possible faille du modèle ΛCDM. La prochaine décennie (Euclid, Rubin, Roman, DESI) devrait trancher.
Cinq grandes techniques, complémentaires.
Échelle des distances (distance ladder). Méthode historique et actuellement portée par SH0ES (Adam Riess). Parallaxes trigonométriques Gaia pour les étoiles proches → céphéides variables (relation période-luminosité de Leavitt 1912) comme chandelles secondaires → supernovae Ia comme chandelles finales pour atteindre z ≳ 0,1. Limite : chaque échelon introduit des incertitudes.
Fond diffus cosmologique. Planck ajuste ΛCDM sur les pics acoustiques du CMB, en déduit H₀ indirectement. Le plus précis (0,7 %), mais modèle-dépendant.
Sirènes standard (ondes gravitationnelles). Depuis GW170817 (fusion d'étoiles à neutrons, août 2017, première sirène standard multi-messager), les ondes gravitationnelles fournissent des distances absolues indépendantes de l'échelle des distances. Actuellement H₀ = 70₊¹²₋₈ km/s/Mpc — précision faible mais montante.
Lentilles gravitationnelles temporelles. H0LiCOW et TDCOSMO mesurent le retard temporel entre images multiples d'un quasar lointain par une galaxie-lentille. Résultat 2020 : H₀ = 73,3 ± 1,8 km/s/Mpc. Compatible avec SH0ES.
Sommet de la branche des géantes rouges (TRGB). Carnegie-Chicago Hubble Program (Freedman et al.). Utilise une bougie standard alternative (TRGB) plutôt que les céphéides pour calibrer les SN Ia. Donne H₀ = 69,8 ± 1,9 km/s/Mpc (2021), intermédiaire entre Planck et SH0ES.
Le Télescope James Webb (JWST, lancé 25 décembre 2021) vérifie depuis 2023 les étalonnages de céphéides du HST. Les premiers résultats (2023) confirment la mesure locale à H₀ ≈ 73 km/s/Mpc, excluant la plupart des systématiques photométriques. La tension reste donc ouverte.
H₀ prête régulièrement à confusion avec plusieurs quantités voisines.
Vitesse de la lumière c. La constante de Hubble a la dimension d'une fréquence (inverse d'un temps), pas d'une vitesse. c est une vitesse fixe (~300 000 km/s). Les galaxies très lointaines peuvent fuir à des vitesses apparentes supérieures à c — ce n'est pas un mouvement dans l'espace, c'est l'espace lui-même qui s'étire, donc cela ne viole pas la relativité.
Paramètre de Hubble H(z). H₀ est la valeur actuelle (z = 0) d'une fonction H(z) qui varie au cours de l'histoire cosmique. Dans le passé, H était plus élevé (l'Univers expansait plus vite en valeur absolue). H(z) est parfois appelée « taux d'expansion » tout court ; H₀ en est le cas particulier contemporain.
Redshift. Le redshift z est ce qu'on mesure sur une galaxie lointaine. Il est relié à sa distance par la loi de Hubble-Lemaître, mais n'est pas H₀ lui-même. Pour les petits z, v ≈ c·z donc d ≈ c·z/H₀.
Énergie noire. H₀ mesure le taux d'expansion actuel ; l'énergie noire pilote son accélération. Les deux sont reliés mais distincts. Modifier l'énergie noire change H(z), y compris H₀.
Constante cosmologique Λ. Λ (dimensions 1/temps²) caractérise la densité d'énergie du vide ; H₀ (1/temps) caractérise le taux d'expansion. À l'équilibre d'une ère d'énergie noire, H → √(Λ/3), mais on est encore en régime transitoire.
Parce que deux méthodes indépendantes mesurent des choses légèrement différentes. Le satellite Planck déduit H₀ à partir du fond diffus cosmologique (Univers primordial), dans le cadre du modèle ΛCDM : 67,4 km/s/Mpc. La collaboration SH0ES mesure H₀ localement via l'échelle des distances (céphéides + supernovae Ia) : 73,0 km/s/Mpc. L'écart de ~9% est statistiquement significatif (5σ). Soit une des méthodes contient un biais non identifié, soit le modèle cosmologique ΛCDM est incomplet. C'est la fameuse « tension de Hubble ».
Georges Lemaître, en 1927, dans un article en français peu lu. Il y établit la relation vitesse-distance et propose un Univers en expansion. Edwin Hubble republie le résultat en 1929 avec davantage de données, et la loi entre dans l'histoire sous son nom. Depuis 2018, l'Union astronomique internationale recommande officiellement « loi de Hubble-Lemaître » pour créditer les deux découvreurs. Vesto Slipher mérite aussi une mention : c'est lui qui a mesuré les premiers décalages spectraux de galaxies dès 1912.
Oui, au-delà d'une certaine distance. Cette distance (le rayon de Hubble) vaut c/H₀ ≈ 4 300 Mpc. Les galaxies situées plus loin que ce rayon s'éloignent de nous à des vitesses apparentes supérieures à c. Cela ne viole pas la relativité restreinte : c n'est pas un mouvement <em>dans</em> l'espace, c'est l'espace lui-même qui s'étire. La relativité interdit aux objets de se déplacer plus vite que la lumière localement — elle ne dit rien sur l'expansion de l'espace-temps lui-même.
Approximativement seulement. Pour H₀ = 70 km/s/Mpc, 1/H₀ = 13,97 milliards d'années — proche mais pas exactement l'âge réel (13,797 milliards). L'écart vient du fait que l'expansion n'a pas été constante : décélération dans l'ère dominée par la matière, puis accélération depuis ~6 milliards d'années sous l'effet de l'énergie noire. Dans un modèle ΛCDM complet, l'âge véritable se calcule en intégrant H(z) de z=∞ à z=0. Mais 1/H₀ reste un bon ordre de grandeur mental.