Il y a vingt ans, les scientifiques ont été choqués de réaliser que notre univers n'est pas seulement en expansion, mais qu'il se développe plus rapidement au fil du temps.

Déterminer le taux exact d'expansion, appelé la constante de Hubble après le célèbre astronome et ancien élève de UChicago Edwin Hubble, a été étonnamment difficile. Depuis lors, les scientifiques ont utilisé deux méthodes pour calculer la valeur, et ils crachent des résultats terriblement différents. Mais la capture surprenante de l'année dernière d'ondes gravitationnelles rayonnant à partir d'une collision d'étoiles à neutrons a offert une troisième façon de calculer la constante de Hubble.

Ce n'était qu'un seul point de données d'une collision, mais dans un nouvel article publié le 17 octobre dans La nature , trois scientifiques de l'Université de Chicago estiment qu'étant donné la rapidité avec laquelle les chercheurs ont vu la première collision d'étoiles à neutrons, ils pourraient avoir une mesure très précise de la constante de Hubble d'ici cinq à dix ans.

"La constante de Hubble vous indique la taille et l'âge de l'univers; c'est un Saint Graal depuis la naissance de la cosmologie. Calculer cela avec des ondes gravitationnelles pourrait nous donner une toute nouvelle perspective sur l'univers, " a déclaré l'auteur de l'étude Daniel Holz, un professeur de physique à UChicago qui a co-écrit le premier calcul de ce type à partir de la découverte de 2017. « La question est :quand cela change-t-il la donne pour la cosmologie ?

En 1929, Edwin Hubble a annoncé que sur la base de ses observations de galaxies au-delà de la Voie lactée, ils semblaient s'éloigner de nous - et plus la galaxie s'éloignait, plus il reculait vite. C'est une pierre angulaire de la théorie du Big Bang, et cela a lancé une recherche de près d'un siècle pour déterminer la vitesse exacte à laquelle cela se produit.

Pour calculer le taux d'expansion de l'univers, les scientifiques ont besoin de deux nombres. L'un est la distance à un objet lointain; l'autre est la vitesse à laquelle l'objet s'éloigne de nous à cause de l'expansion de l'univers. Si vous pouvez le voir avec un télescope, la deuxième quantité est relativement facile à déterminer, parce que la lumière que vous voyez lorsque vous regardez une étoile lointaine passe au rouge à mesure qu'elle s'éloigne. Les astronomes utilisent cette astuce pour voir à quelle vitesse un objet se déplace depuis plus d'un siècle - c'est comme l'effet Doppler, dans lequel une sirène change de ton au passage d'une ambulance.

« Questions majeures dans les calculs »

Mais obtenir une mesure exacte de la distance est beaucoup plus difficile. Traditionnellement, les astrophysiciens ont utilisé une technique appelée échelle de distance cosmique, dans lequel la luminosité de certaines étoiles variables et supernovae peut être utilisée pour construire une série de comparaisons qui atteignent l'objet en question. "Le problème est, si vous grattez sous la surface, il y a beaucoup d'étapes avec beaucoup d'hypothèses en cours de route, " dit Holz.

Peut-être que les supernovae utilisées comme marqueurs ne sont pas aussi cohérentes qu'on le pensait. Peut-être confondons-nous certains types de supernovae avec d'autres, ou il y a une erreur inconnue dans notre mesure des distances aux étoiles proches. "Il y a beaucoup d'astrophysique compliquée là-bas qui pourraient fausser les lectures de plusieurs manières, " il a dit.

L'autre moyen majeur de calculer la constante de Hubble est de regarder le fond diffus cosmologique - l'impulsion de lumière créée au tout début de l'univers, qui est encore faiblement détectable. Bien qu'utile, cette méthode repose également sur des hypothèses sur le fonctionnement de l'univers.

La chose surprenante est que même si les scientifiques qui effectuent chaque calcul sont confiants quant à leurs résultats, ils ne correspondent pas. L'un dit que l'univers s'étend presque 10 pour cent plus vite que l'autre. "C'est une question majeure en cosmologie en ce moment, " a déclaré le premier auteur de l'étude, Hsin Yu Chen, puis étudiant diplômé à UChicago et maintenant membre de la Black Hole Initiative de l'Université Harvard.

Ensuite, les détecteurs LIGO ont capté leur première ondulation dans le tissu de l'espace-temps à la suite de la collision de deux étoiles l'année dernière. Cela a non seulement ébranlé l'observatoire, mais le domaine de l'astronomie lui-même :être capable à la fois de ressentir l'onde gravitationnelle et de voir la lumière des conséquences de la collision avec un télescope a donné aux scientifiques un nouvel outil puissant. "C'était une sorte d'embarras de richesse, " dit Holz.

Les ondes gravitationnelles offrent une manière complètement différente de calculer la constante de Hubble. Lorsque deux étoiles massives s'écrasent l'une sur l'autre, ils envoient des ondulations dans le tissu de l'espace-temps qui peuvent être détectées sur Terre. En mesurant ce signal, les scientifiques peuvent obtenir une signature de la masse et de l'énergie des étoiles en collision. Quand ils comparent cette lecture avec la force des ondes gravitationnelles, ils peuvent déduire à quelle distance il est.

Cette mesure est plus propre et contient moins d'hypothèses sur l'univers, ce qui devrait le rendre plus précis, dit Holz. Avec Scott Hughes au MIT, il a suggéré l'idée de faire cette mesure avec des ondes gravitationnelles associées à des lectures de télescope en 2005. La seule question est de savoir à quelle fréquence les scientifiques pourraient attraper ces événements, et à quel point les données d'eux seraient bonnes.

"Ça va devenir de plus en plus intéressant"

L'article prédit qu'une fois que les scientifiques auront détecté 25 lectures de collisions d'étoiles à neutrons, ils mesureront l'expansion de l'univers avec une précision de 3 %. Avec 200 lectures, ce nombre se réduit à 1 pour cent.

« Ce fut une surprise pour moi lorsque nous sommes entrés dans les simulations, " dit Chen. " Il était clair que nous pouvions atteindre la précision, et nous pourrions l'atteindre rapidement."

Un nouveau nombre précis pour la constante de Hubble serait fascinant, quelle que soit la réponse, disaient les scientifiques. Par exemple, une raison possible de l'inadéquation dans les deux autres méthodes est que la nature de la gravité elle-même pourrait avoir changé au fil du temps. La lecture pourrait également faire la lumière sur l'énergie sombre, une force mystérieuse responsable de l'expansion de l'univers.

"Avec la collision que nous avons vue l'année dernière, nous avons eu de la chance, c'était près de nous, il était donc relativement facile à trouver et à analyser, " a déclaré Maya Fishbach, un étudiant diplômé UChicago et l'autre auteur sur le papier. « Les futures détections seront beaucoup plus éloignées, mais une fois que nous aurons la prochaine génération de télescopes, nous devrions également être en mesure de trouver des homologues pour ces détections distantes. »

Les détecteurs LIGO devraient commencer une nouvelle campagne d'observation en février 2019, rejoints par leurs homologues italiens de VIRGO. Grâce à une mise à niveau, les sensibilités des détecteurs seront beaucoup plus élevées, augmentant le nombre et la distance des événements astronomiques qu'ils peuvent capter.

"Ça va devenir plus intéressant à partir d'ici, " dit Holz.