La vitesse de l’univers en débat : Une solution à l’horizon ?

L’univers s’agrandit ; nous en avons la preuve depuis environ un siècle. Cependant, la rapidité à laquelle les objets célestes s’éloignent les uns des autres fait toujours l’objet de débats.

Il est loin d’être aisé de mesurer le taux auquel les objets se distancient à travers d’immenses étendues. Depuis la découverte de l’expansion cosmique, son taux a été mesuré et remesuré avec une précision croissante, les dernières valeurs allant de 67,4 à 76,5 kilomètres par seconde par mégaparsec, un rapport qui établit la vitesse de récession (en kilomètres par seconde) à la distance (en mégaparsecs).

La tension de Hubble : Une énigme cosmologique

La divergence entre différentes mesures de l’expansion cosmique est appelée la « tension de Hubble ». Certains y voient une crise en cosmologie. Cependant, pour le théoricien astrophysicien Tejaswi Venumadhav Nerella de l’UC Santa Barbara et ses collègues de l’Institut Tata de recherche fondamentale à Bangalore, en Inde, et du Centre interuniversitaire d’astronomie et d’astrophysique à Pune, en Inde, il s’agit d’une période passionnante.

Depuis la première détection des ondes gravitationnelles en 2015, les détecteurs ont été nettement améliorés et sont prêts à produire une riche moisson de signaux dans les années à venir.

Nerella et ses collègues ont élaboré une méthode pour utiliser ces signaux afin de mesurer l’expansion de l’univers, et peut-être aider à trancher le débat une bonne fois pour toutes. « L’un des principaux objectifs scientifiques des futurs détecteurs est de fournir un catalogue complet des événements d’ondes gravitationnelles, et cela sera une utilisation complètement nouvelle de cet ensemble de données remarquables, » a déclaré Nerella, co-auteur d’un article publié dans Physical Review Letters.

Des « bougies standard » à la lentille gravitationnelle

Une deuxième classe de méthodes commence avec des objets de luminosité connue (« bougies standard ») et mesure leurs distances depuis la Terre en utilisant leur luminosité apparente. Ces distances sont liées à celles d’objets brillants plus lointains, ce qui constitue une chaîne de systèmes de mesure souvent appelée « échelle de distance cosmique« .

Par ailleurs, les ondes gravitationnelles elles-mêmes peuvent également aider à mesurer l’expansion cosmique, puisque l’énergie libérée par la collision d’étoiles à neutrons ou de trous noirs peut être utilisée pour estimer la distance de ces objets.

La méthode que Nerella et ses co-auteurs proposent appartient à la seconde classe mais utilise la lentille gravitationnelle. Il s’agit d’un phénomène qui se produit lorsque des objets massifs déforment l’espace-temps et courbent toutes sortes d’ondes qui voyagent à proximité des objets. Dans de rares cas, la lentille peut produire plusieurs copies du même signal d’onde gravitationnelle qui atteignent la Terre à des moments différents.

Les retards entre les signaux pour une population d’événements à images multiples peuvent être utilisés pour calculer le taux d’expansion de l’univers, selon les chercheurs.

Une méthode sans confusion

« Nous comprenons très bien la sensibilité des détecteurs d’ondes gravitationnelles, et il n’y a pas de sources de confusion astrophysique, nous pouvons donc bien prendre en compte ce qui entre dans notre catalogue d’événements, » a déclaré Nerella. « La nouvelle méthode a des sources d’erreur qui sont complémentaires à celles des méthodes existantes, ce qui en fait un bon discriminateur.« 

Les sources de ces signaux seraient des trous noirs binaires : des systèmes de deux trous noirs qui orbitent l’un autour de l’autre et fusionnent finalement, libérant d’énormes quantités d’énergie sous forme d’ondes gravitationnelles. Nous n’avons pas encore détecté d’exemples fortement lentilles de ces signaux, mais la prochaine génération de détecteurs au sol devrait avoir le niveau de sensibilité nécessaire.

Une observation attendue

« Nous prévoyons la première observation d’ondes gravitationnelles lentifiées dans les prochaines années« , a déclaré Parameswaran Ajith, coauteur de l’étude. De plus, ces futurs détecteurs devraient être capables de voir plus loin dans l’espace et de détecter des signaux plus faibles.

Les auteurs s’attendent à ce que ces détecteurs avancés commencent leur recherche de trous noirs en fusion dans la prochaine décennie. Ils prévoient d’enregistrer des signaux provenant de quelques millions de paires de trous noirs, dont une petite fraction (environ 10 000) apparaîtra plusieurs fois dans le même détecteur en raison de la lentille gravitationnelle. La distribution des retards entre ces apparitions répétées encode le taux d’expansion de Hubble.

La méthode de mesure et son avantage

Selon l’auteur principal, Souvik Jana, contrairement à d’autres méthodes de mesure, cette méthode ne nécessite pas de connaître l’emplacement exact ou la distance de ces trous noirs binaires. La seule condition est d’identifier avec précision un nombre suffisamment important de ces signaux lentisques. Les chercheurs ajoutent que les observations d’ondes gravitationnelles lentifiées peuvent même fournir des indices sur d’autres questions cosmologiques, telles que la nature de la matière noire invisible qui constitue une grande partie du contenu énergétique de l’univers.

En synthèse

L’expansion de l’univers est un sujet de recherche actif et débattu. Les méthodes actuelles, bien qu’elles aient grandement contribué à notre compréhension de l’univers, présentent certaines limites et incertitudes. La nouvelle méthode proposée par Nerella et ses collègues, basée sur l’observation des ondes gravitationnelles, promet d’apporter une nouvelle perspective sur cette question cruciale. Si elle est corroborée, cette méthode pourrait non seulement aider à résoudre la tension de Hubble, mais aussi ouvrir de nouvelles voies pour étudier la nature de l’univers.

Pour une meilleure compréhension

Qu’est-ce que l’expansion de l’univers ? L’expansion de l’univers est le processus par lequel l’univers, tel que nous le connaissons, s’agrandit depuis le Big Bang.

Qu’est-ce que la « tension de Hubble » ? La « tension de Hubble » est le nom donné à la divergence entre différentes mesures du taux d’expansion de l’univers.

Qu’est-ce qu’une onde gravitationnelle ? Une onde gravitationnelle est une onde générée par des perturbations dans l’espace-temps, généralement causées par des objets massifs en mouvement, comme les trous noirs ou les étoiles à neutrons.

Qu’est-ce qu’une lentille gravitationnelle ? Une lentille gravitationnelle est un phénomène qui se produit lorsque la présence d’un objet massif courbe l’espace-temps, déviant ainsi la trajectoire d’ondes, y compris la lumière et les ondes gravitationnelles.

Qu’est-ce qu’un trou noir binaire ? Un trou noir binaire est un système de deux trous noirs qui orbitent l’un autour de l’autre et finissent par fusionner, libérant d’énormes quantités d’énergie sous forme d’ondes gravitationnelles.

Légende illustration principale : Les ondes gravitationnelles émises par la fusion de trous noirs, lorsqu’elles sont léchées par des objets massifs et qu’elles se déplacent vers la Terre, peuvent être utilisées pour calculer la vitesse d’expansion de l’univers.