Une explosion de supernova et les fluctuations spatio-temporelles générées par la fusion de deux étoiles à neutrons ont aidé les scientifiques à mesurer avec précision le taux d'expansion de l'univers. De futures mesures de ce type aideront à résoudre le principal paradoxe de la cosmologie, disent les scientifiques dans la revue Nature Astronomy.
En 1929, le célèbre astronome Edwin Hubble a prouvé que notre Univers ne restait pas immobile, mais s'élargissait progressivement. À la fin du siècle dernier, des astrophysiciens ont découvert, en observant des supernovae de type I, qu'elle ne se dilate pas avec une vitesse constante, mais avec une accélération. La raison en est aujourd'hui considérée comme «l'énergie noire» - une substance mystérieuse qui fait s'étirer de plus en plus rapidement l'espace-temps.
En juin 2016, le lauréat du prix Nobel Adam Riess et ses collègues, qui ont découvert ce phénomène, ont calculé le taux exact d'expansion de l'univers aujourd'hui à l'aide d'étoiles Céphéides variables de la Voie lactée et des galaxies voisines, dont la distance peut être calculée avec une très haute précision.
Ce raffinement a donné un résultat extrêmement inattendu: il s'est avéré que deux galaxies, séparées par une distance d'environ 3 millions d'années-lumière, se dispersent à une vitesse d'environ 73 kilomètres par seconde. Cette année, ils ont publié des résultats d'observations mis à jour, dans lesquels cette valeur est devenue encore plus élevée - 74 kilomètres par seconde.
Les nouvelles mesures de Riesz et de ses collègues se sont révélées presque 10% supérieures aux données obtenues avec les télescopes orbitaux WMAP et Planck - 69 kilomètres par seconde, et cela ne peut pas être expliqué en utilisant nos idées existantes sur la nature de l'énergie sombre et le mécanisme de la naissance de l'Univers.
Ces divergences ont conduit les cosmologistes à réfléchir à deux manières possibles d'expliquer cette anomalie. D'une part, il est fort possible que les mesures de Planck ou de Riesz et de ses collègues soient erronées ou incomplètes. D'un autre côté, il est tout à fait admissible qu'une troisième substance "sombre", différente de la matière noire et de l'énergie, puisse exister dans l'Univers primitif, ainsi que ce dernier pourrait être instable et se désintégrer progressivement.
Kenta Hotokezaka de l'Université de Princeton (USA) et ses collègues ont rendu ce problème encore plus aigu et controversé en effectuant les premières mesures relativement précises du taux d'expansion de l'Univers à l'aide de l'observatoire gravitationnel LIGO et d'un certain nombre de télescopes optiques "conventionnels".
Les premières mesures de ce type, comme le note l'astrophysicien, les scientifiques ont effectué fin 2017, lorsque le LIGO a enregistré un sursaut généré par la fusion de deux étoiles à neutrons, et des centaines de télescopes terrestres et spatiaux ont pu localiser sa source dans la galaxie NGC 4993 dans la constellation Hydra.
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Les premières mesures LIGO étaient proches des données obtenues par l'équipe de Riesz, que de nombreux scientifiques ont considéré comme une preuve supplémentaire que le taux d'expansion de l'univers pourrait changer de façon marquée. Hotokezaka et ses collègues ont constaté que ce n'est pas nécessairement le cas en suivant non seulement les ondes gravitationnelles, mais aussi le flash de lumière et la libération de matière générés par ce cataclysme.
Dans ces observations, les scientifiques ont été aidés par le fait que ce flux de plasma incandescent, un jet dans le langage des physiciens, n'était pas dirigé directement vers la Terre, mais quelque peu éloigné de celle-ci. Grâce à cela, il semble aux observateurs de notre planète qu'elle se déplace environ quatre fois plus vite que la vitesse de la lumière, "violant" la théorie de la relativité, comme un rayon de soleil ou une ombre.
Cette propriété d'émissions, couplée à des mesures de «l'épaisseur» du jet à son point de départ, permet de déterminer très précisément dans quelle direction il était dirigé par rapport à la Terre et de mesurer sa vitesse. Toutes ces données, à leur tour, nous permettent de spécifier la distance à la source des ondes gravitationnelles et de calculer plus précisément leur «étirement» pendant le voyage de la galaxie NGC 4993 à la Terre.
De tels raffinements, comme le note Hotokezaka, ont apporté une grande surprise - la valeur de la constante de Hubble s'est rapprochée non pas des mesures de Riesz et de ses collègues, mais des résultats de Planck et d'autres télescopes observant l'écho micro-ondes du Big Bang.
D'une part, cela peut vraiment signifier que le lauréat du prix Nobel et ses collègues se trompent, mais d'autre part, la précision des mesures «gravitationnelles» est encore sensiblement inférieure - elle est d'environ 7% celle de ceux-ci et d'autres participants de ce différend universel (moins de 2%). Les résultats actuels, souligne le scientifique, correspondent aux deux théories, mais la situation changera dans un avenir très proche.
Selon les estimations actuelles des équipes scientifiques du LIGO et de son «cousin» italien ViRGO, les deux observatoires gravitationnels devraient trouver une dizaine de tels événements par an. En conséquence, dans les 2-3 prochaines années, nous pouvons espérer que les observations de fusions d'étoiles à neutrons nous aideront à découvrir sans équivoque s'il y a ou non une "nouvelle physique" dans l'expansion de l'Univers, concluent les auteurs de l'article.
