Depuis qu'il a explosé il y a 13,8 milliards d'années, l'univers s'est agrandi, entraînant avec lui des centaines de milliards de galaxies et d'étoiles, un peu comme des raisins secs dans une pâte qui monte rapidement.

Les astronomes ont pointé des télescopes sur certaines étoiles et autres sources cosmiques pour mesurer leur distance de la Terre et la vitesse à laquelle elles s'éloignent de nous - deux paramètres essentiels pour estimer la constante de Hubble, une unité de mesure qui décrit la vitesse à laquelle l'univers s'étend.

Mais à ce jour, les efforts les plus précis ont atterri sur des valeurs très différentes de la constante de Hubble, n'offrant aucune résolution définitive sur la vitesse exacte de croissance de l'univers. Cette information, les scientifiques croient, pourrait faire la lumière sur les origines de l'univers, ainsi que son sort, et si le cosmos s'étendra indéfiniment ou s'effondrera finalement.

Aujourd'hui, des scientifiques du MIT et de l'Université Harvard ont proposé un moyen plus précis et indépendant de mesurer la constante de Hubble, utilisant des ondes gravitationnelles émises par un système relativement rare :un binaire trou noir-étoile à neutrons, un appariement extrêmement énergétique d'un trou noir en spirale et d'une étoile à neutrons. Alors que ces objets tournent l'un vers l'autre, ils devraient produire des ondes gravitationnelles secouant l'espace et un éclair de lumière lorsqu'ils finiront par entrer en collision.

Dans un article à paraître le 12 juillet dans Lettres d'examen physique , les chercheurs rapportent que l'éclair de lumière donnerait aux scientifiques une estimation de la vitesse du système, ou à quelle vitesse il s'éloigne de la Terre. Les ondes gravitationnelles émises, s'il est détecté sur Terre, devrait fournir une mesure indépendante et précise de la distance du système. Même si les binaires d'étoiles à neutrons de trou noir sont incroyablement rares, les chercheurs calculent que la détection même de quelques-uns devrait donner la valeur la plus précise à ce jour pour la constante de Hubble et le taux de l'univers en expansion.

"Les binaires trou noir-étoile à neutrons sont des systèmes très compliqués, dont on sait très peu, " dit Salvatore Vitale, professeur adjoint de physique au MIT et auteur principal de l'article. "Si nous en détectons un, le prix est qu'ils peuvent potentiellement apporter une contribution dramatique à notre compréhension de l'univers."

Le co-auteur de Vitale est Hsin-Yu Chen de Harvard.

Constantes concurrentes

Deux mesures indépendantes de la constante de Hubble ont été faites récemment, un utilisant le télescope spatial Hubble de la NASA et un autre utilisant le satellite Planck de l'Agence spatiale européenne. La mesure du télescope spatial Hubble est basée sur les observations d'un type d'étoile connu sous le nom de variable céphéide, ainsi que sur les observations de supernovae. Ces deux objets sont considérés comme des "bougies standard, " pour leur modèle prévisible de luminosité, que les scientifiques peuvent utiliser pour estimer la distance et la vitesse de l'étoile.

L'autre type d'estimation est basé sur les observations des fluctuations du fond diffus cosmologique, le rayonnement électromagnétique qui a été laissé au lendemain du Big Bang, quand l'univers en était encore à ses balbutiements. Alors que les observations des deux sondes sont extrêmement précises, leurs estimations de la constante de Hubble sont en désaccord significativement.

"C'est là que LIGO entre en jeu, " dit Vitale.

LIGO, ou l'Observatoire des ondes gravitationnelles par interféromètre laser, détecte les ondes gravitationnelles - ondulations dans le Jell-O de l'espace-temps, produit par des phénomènes astrophysiques cataclysmiques.

"Les ondes gravitationnelles offrent un moyen très direct et facile de mesurer les distances de leurs sources, " dit Vitale. " Ce que nous détectons avec LIGO, c'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 détecté pour la première fois une paire d'étoiles à neutrons en collision. La collision a libéré une énorme quantité d'ondes gravitationnelles, que les chercheurs ont mesuré pour déterminer la distance du système à la Terre. La fusion a également libéré un éclair de lumière, sur lesquels les astronomes se sont concentrés avec des télescopes terrestres et spatiaux pour déterminer la vitesse du système.

Avec les deux mesures, les scientifiques ont calculé une nouvelle valeur pour la constante de Hubble. Cependant, l'estimation est venue avec une incertitude relativement grande de 14 pour cent, beaucoup plus incertain que les valeurs calculées à l'aide du télescope spatial Hubble et du satellite Planck.

Vitale dit qu'une grande partie de l'incertitude provient du fait qu'il peut être difficile d'interpréter la distance d'une étoile binaire à neutrons par rapport à la Terre en utilisant les ondes gravitationnelles que ce système particulier dégage.

"Nous mesurons la distance en regardant à quel point l'onde gravitationnelle est "forte", ce qui signifie à quel point il est clair dans nos données, " dit Vitale. " Si c'est très clair, vous pouvez voir à quel point c'est fort, et cela donne la distance. Mais ce n'est que partiellement vrai pour les binaires d'étoiles à neutrons."

C'est parce que ces systèmes, qui créent un disque d'énergie tourbillonnant alors que deux étoiles à neutrons se rapprochent l'une de l'autre, émettent des ondes gravitationnelles de manière inégale. La majorité des ondes gravitationnelles jaillissent directement du centre du disque, tandis qu'une fraction beaucoup plus petite s'échappe des bords. Si les scientifiques détectent un signal d'onde gravitationnelle "fort", cela pourrait indiquer l'un des deux scénarios suivants :les ondes détectées proviennent du bord d'un système très proche de la Terre, ou les vagues émanaient du centre d'un système beaucoup plus éloigné.

"Avec les binaires d'étoiles à neutrons, il est très difficile de faire la distinction entre ces deux situations, " dit Vitale.

Une nouvelle vague

En 2014, avant que LIGO ne fasse la première détection d'ondes gravitationnelles, Vitale et ses collègues ont observé qu'un système binaire composé d'un trou noir et d'une étoile à neutrons pourrait donner une mesure de distance plus précise, par rapport aux binaires d'étoiles à neutrons. L'équipe étudiait avec quelle précision on pouvait mesurer la rotation d'un trou noir, étant donné que les objets sont connus pour tourner sur leurs axes, de manière similaire à la Terre mais beaucoup plus rapidement.

Les chercheurs ont simulé une variété de systèmes avec des trous noirs, y compris les binaires d'étoiles à neutrons de trou noir et les binaires d'étoiles à neutrons. En tant que sous-produit de cet effort, l'équipe a remarqué qu'elle était capable de déterminer plus précisément la distance des binaires trou noir-étoile à neutrons, par rapport aux binaires d'étoiles à neutrons. Vitale dit que cela est dû à la rotation du trou noir autour de l'étoile à neutrons, ce qui peut aider les scientifiques à mieux déterminer d'où émanent les ondes gravitationnelles dans le système.

"En raison de cette meilleure mesure de distance, Je pensais que les binaires trou noir-étoile à neutrons pourraient être une sonde compétitive pour mesurer la constante de Hubble, " dit Vitale. " Depuis, il s'est passé beaucoup de choses avec LIGO et la découverte des ondes gravitationnelles, et tout cela a été mis en veilleuse."

Vitale est récemment revenu à son observation initiale, et dans ce nouveau papier, il se proposa de répondre à une question théorique :

"Est-ce que le fait que chaque binaire trou noir-étoile à neutrons me donnera une meilleure distance va compenser le fait que potentiellement, il y en a beaucoup moins dans l'univers que les binaires d'étoiles à neutrons ?", déclare Vitale.

Pour répondre à cette question, l'équipe a effectué des simulations pour prédire l'occurrence des deux types de systèmes binaires dans l'univers, ainsi que la précision de leurs mesures de distance. De leurs calculs, ils ont conclu que, même si les systèmes binaires à neutrons étaient 50-1 plus nombreux que les systèmes d'étoiles à neutrons de trou noir, ce dernier donnerait une constante de Hubble similaire en précision à l'ancien.

Plus optimiste, si les binaires trou noir-étoile à neutrons étaient légèrement plus courants, mais toujours plus rares que les binaires d'étoiles à neutrons, le premier produirait une constante de Hubble quatre fois plus précise.

"Jusque là, les gens se sont concentrés sur les étoiles à neutrons binaires comme moyen de mesurer la constante de Hubble avec les ondes gravitationnelles, " dit Vitale. " Nous avons montré qu'il existe un autre type de source d'ondes gravitationnelles qui jusqu'à présent n'a pas été autant exploitée :les trous noirs et les étoiles à neutrons en spirale ensemble, " dit Vitale. " LIGO recommencera à prendre des données en janvier 2019, et ce sera beaucoup plus sensible, ce qui signifie que nous pourrons voir des objets plus loin. Donc LIGO devrait voir au moins un binaire trou noir-étoile à neutrons, et jusqu'à 25, ce qui aidera à résoudre la tension existante dans la mesure de la constante de Hubble, espérons-le dans les prochaines années."