Depuis sa création il y a 13,8 milliards d'années, l'univers n'a cessé de s'étendre, dispersant des centaines de milliards de galaxies et d'étoiles comme des raisins secs dans une pâte à croissance rapide. Les astronomes ont pointé des télescopes sur certaines étoiles et d'autres sources cosmiques pour mesurer leur distance par rapport à la Terre et leur taux d'élimination, deux paramètres nécessaires pour calculer la constante de Hubble, une unité de mesure qui décrit la vitesse à laquelle l'univers se dilate.
Mais à ce jour, les tentatives les plus précises d'estimation de la constante de Hubble ont donné des valeurs très dispersées et n'ont pas permis de tirer une conclusion définitive sur la vitesse de croissance de l'univers. Cette information, selon les scientifiques, devrait faire la lumière sur l'origine de l'Univers et sur son destin: le cosmos va-t-il s'étendre à l'infini ou va-t-il un jour rétrécir?
Ainsi, des scientifiques du Massachusetts Institute of Technology et de l'Université Harvard ont proposé une manière plus précise et indépendante de mesurer la constante de Hubble en utilisant des ondes gravitationnelles émises par des systèmes relativement rares: un système binaire trou noir-étoile à neutrons, une paire énergétique torsadée en spirale par un trou noir et une étoile à neutrons. Au fur et à mesure que ces objets se déplacent dans la danse, ils créent des ondes frémissantes spatio-temporelles et un éclair de lumière lorsque la collision finale se produit.
Dans un article publié le 12 juillet dans Physical Review Letters, les scientifiques ont déclaré que l'éclair de lumière permettrait aux scientifiques d'estimer la vitesse du système, c'est-à-dire la vitesse à laquelle il s'éloigne de la Terre. Les ondes gravitationnelles émises, si elles sont capturées sur Terre, devraient fournir une mesure indépendante et précise de la distance au système. Malgré le fait que les systèmes binaires de trous noirs et d'étoiles à neutrons soient incroyablement rares, les scientifiques estiment que la découverte de ne serait-ce que quelques-uns d'entre eux permettra d'estimer la constante de Hubble et le taux d'expansion de l'univers à ce jour.
«Les systèmes binaires de trous noirs et d'étoiles à neutrons sont des systèmes très complexes dont nous savons très peu de choses», explique Salvatore Vitale, professeur agrégé de physique au MIT et auteur principal de l'article. "Si nous en trouvons un, le prix sera notre percée radicale dans la compréhension de l'univers."
Vitale est co-écrit par Hsin-Yu Chen de Harvard.
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Constantes concurrentes
Deux mesures indépendantes de la constante de Hubble ont été récemment prises, l'une utilisant le télescope spatial Hubble de la NASA et l'autre utilisant le satellite Planck de l'Agence spatiale européenne. La mesure de Hubble était basée sur des observations d'une étoile connue sous le nom de variable Cepheid, ainsi que sur des observations de supernovae. Ces deux objets sont considérés comme des «bougies standard» pour la prévisibilité de la luminosité, par laquelle les scientifiques estiment la distance à une étoile et sa vitesse.
Un autre type d'évaluation est basé sur les observations des fluctuations du fond cosmologique des micro-ondes - rayonnement électromagnétique qui est resté après le Big Bang, alors que l'univers en était encore à ses balbutiements. Bien que les observations des deux sondes soient extrêmement précises, leurs estimations de la constante de Hubble diffèrent considérablement.
«Et c'est là que LIGO entre en jeu», déclare Vitale.
LIGO, ou observatoire des ondes gravitationnelles interférométriques laser, recherche les ondes gravitationnelles - des ondulations sur le tissu de l'espace-temps, qui est né à la suite de cataclysmes astrophysiques.
«Les ondes gravitationnelles offrent un moyen très simple et facile de mesurer les distances jusqu'à leurs sources», explique Vitale. "Ce que nous avons trouvé avec LIGO est une empreinte directe de la distance à la source, sans aucune analyse supplémentaire."
En 2017, les scientifiques ont eu leur première chance d'estimer la constante de Hubble à partir d'une source d'ondes gravitationnelles lorsque LIGO et son homologue italien Virgo ont découvert une paire d'étoiles à neutrons en collision pour la première fois de l'histoire. Cette collision a libéré une énorme quantité d'ondes gravitationnelles, que les scientifiques ont mesurées pour déterminer la distance entre la Terre et le système. La fusion a également émis un éclat de lumière, que les astronomes ont pu analyser avec des télescopes terrestres et spatiaux pour déterminer la vitesse du système.
Après avoir obtenu les deux mesures, les scientifiques ont calculé une nouvelle valeur pour la constante de Hubble. Cependant, l'estimation était accompagnée d'une incertitude relativement grande de 14%, beaucoup plus incertaine que les valeurs calculées à l'aide de Hubble et Planck.
Vitale dit qu'une grande partie de l'incertitude provient du fait qu'il est difficile d'interpréter la distance entre un système binaire et la Terre en utilisant les ondes gravitationnelles créées par ce système.
«Nous mesurons la distance en regardant à quel point l'onde gravitationnelle est« forte », c'est-à-dire à quel point nos données sont propres», explique Vitale. «Si tout est clair, vous pouvez voir que c'est bruyant et déterminer la distance. Mais ce n'est que partiellement vrai pour les systèmes binaires."
Le fait est que ces systèmes, qui génèrent un disque tourbillonnant d'énergie à mesure que la danse de deux étoiles à neutrons se développe, émettent des ondes gravitationnelles de manière inégale. La plupart des ondes gravitationnelles sont tirées depuis le centre du disque, tandis que beaucoup moins d'entre elles sont projetées depuis les bords. Si les scientifiques détectent un signal d'onde gravitationnelle «fort», cela peut indiquer l'un des deux scénarios suivants: les ondes détectées naissent aux bords d'un système très proche de la Terre, ou les ondes proviennent du centre d'un système beaucoup plus éloigné.
«Dans le cas des systèmes stellaires binaires, il est très difficile de faire la distinction entre ces deux situations», explique Vitale.
Nouvelle vague
En 2014, avant même que LIGO ne découvre les premières ondes gravitationnelles, Vitale et ses collègues ont observé qu'un système binaire d'un trou noir et d'une étoile à neutrons pouvait fournir une mesure de distance plus précise que les étoiles à neutrons binaires. L'équipe a étudié avec quelle précision la rotation d'un trou noir peut être mesurée, à condition que ces objets tournent sur leur axe, comme la Terre, seulement plus rapidement.
Les chercheurs ont modélisé divers systèmes de trous noirs, y compris des systèmes d'étoiles à neutrons à trous noirs et des systèmes d'étoiles à neutrons binaires. En cours de route, il a été constaté que la distance entre le trou noir et les systèmes d'étoiles à neutrons peut être déterminée avec plus de précision que les étoiles à neutrons. Vitale dit que cela est dû à la rotation du trou noir autour de l'étoile à neutrons, car cela aide à mieux déterminer d'où viennent les ondes gravitationnelles dans le système.
«En raison de la mesure de distance plus précise, j'ai pensé que les systèmes d'étoiles binaires trou noir-neutron pourraient être un meilleur point de référence pour mesurer la constante de Hubble», explique Vitale. "Depuis lors, beaucoup de choses se sont passées avec le LIGO et des ondes gravitationnelles ont été découvertes, donc tout est passé à l'arrière-plan."
Vitale est récemment revenu à son observation initiale.
«Jusqu'à présent, les gens ont préféré les étoiles à neutrons binaires comme moyen de mesurer la constante de Hubble à l'aide d'ondes gravitationnelles», explique Vitale. «Nous avons montré qu'il existe un autre type de source d'ondes gravitationnelles qui n'a pas été pleinement exploité auparavant: les trous noirs et les étoiles à neutrons dansant. LIGO recommencera à collecter des données en janvier 2019 et sera beaucoup plus sensible, ce qui signifie que nous pouvons voir des objets plus éloignés. Par conséquent, LIGO sera en mesure de voir au moins un système d'un trou noir et d'une étoile à neutrons, ou mieux les vingt-cinq, et cela aidera à résoudre la tension existante dans la mesure de la constante de Hubble, espérons-le, dans les prochaines années.
Ilya Khel
