Le matin du 17 août, 2017, après avoir voyagé pendant plus de cent millions d'années, les répliques d'une collision massive dans une galaxie lointaine, loin a finalement atteint la Terre.

Ces ondulations dans le tissu de l'espace-temps, appelées ondes gravitationnelles, alarmes déclenchées sur deux détecteurs ultra-sensibles appelés LIGO, envoyer des textes volants et des scientifiques brouillés. L'un des scientifiques était le professeur Daniel Holz de l'Université de Chicago. La découverte lui avait fourni les informations dont il avait besoin pour effectuer une nouvelle mesure révolutionnaire de l'un des nombres les plus importants de l'astrophysique : la constante de Hubble, qui est la vitesse à laquelle l'univers s'étend.

La constante de Hubble contient les réponses aux grandes questions sur l'univers, comme sa taille, âge et histoire, mais les deux principales façons de déterminer sa valeur ont produit des résultats sensiblement différents. Maintenant il y avait une troisième voie, ce qui pourrait résoudre l'une des questions les plus urgentes de l'astronomie - ou il pourrait solidifier la suspicion rampante, détenu par beaucoup sur le terrain, qu'il manque quelque chose de substantiel à notre modèle de l'univers.

"En un éclair, nous avons eu un tout nouveau, manière totalement indépendante de mesurer l'une des grandeurs les plus profondes de la physique, " a déclaré Holz. " Ce jour-là, je me souviendrai toute ma vie. "

Alors que LIGO revient le 1er avril Holz et d'autres scientifiques se préparent à plus de données qui pourraient faire la lumière sur certaines des plus grandes questions de l'univers.

Questions universelles

Nous savons que l'univers est en expansion depuis longtemps (depuis que l'éminent astronome et ancien d'UChicago Edwin Hubble a fait la première mesure de l'expansion en 1929, en fait) mais en 1998, les scientifiques ont été stupéfaits de découvrir que le taux d'expansion ne ralentit pas à mesure que l'univers vieillit, mais en fait en s'accélérant avec le temps. Dans les décennies suivantes, alors qu'ils tentaient de déterminer avec précision le taux, il est devenu évident que différentes méthodes de mesure du taux produisent des réponses différentes.

L'une des deux méthodes mesure la luminosité des supernovae – étoiles qui explosent – ​​dans des galaxies lointaines; l'autre examine les minuscules fluctuations du fond diffus cosmologique, la faible lumière laissée par le Big Bang. Les scientifiques travaillent depuis deux décennies pour améliorer l'exactitude et la précision de chaque mesure, et d'exclure tout effet qui pourrait compromettre les résultats ; mais les deux valeurs sont toujours en désaccord de près de 10 pour cent.

Parce que la méthode de la supernova regarde des objets relativement proches, et le fond cosmique des micro-ondes est beaucoup plus ancien, il est possible que les deux méthodes soient correctes et que quelque chose de profond dans l'univers ait changé depuis la nuit des temps.

"Nous ne savons pas si l'une ou les deux autres méthodes ont une sorte d'erreur systématique, ou s'ils reflètent réellement une vérité fondamentale sur l'univers qui manque à nos modèles actuels, " dit Holz. " L'un ou l'autre est possible. "

Holz a vu la possibilité d'un troisième, manière complètement indépendante de mesurer la constante de Hubble, mais cela dépendrait d'une combinaison de chance et d'exploits d'ingénierie extrêmes.

La « sirène standard »

En 2005, Holz a écrit un article avec Scott Hughes du Massachusetts Institute of Technology suggérant qu'il serait possible de calculer la constante de Hubble grâce à une combinaison d'ondes gravitationnelles et de lumière. Ils appelaient ces sources « sirènes standard, " un clin d'oeil aux " bougies standards ", qui fait référence aux supernovae utilisées pour effectuer la mesure constante de Hubble.

Mais il faudrait d'abord des années pour développer une technologie capable de détecter quelque chose d'aussi éphémère que des ondulations dans le tissu de l'espace-temps. C'est LIGO :un ensemble d'énormes, des détecteurs extrêmement sensibles qui sont réglés pour capter les ondes gravitationnelles émises lorsque quelque chose d'important se produit quelque part dans l'univers.

Le 17 août Les ondes de 2017 provenaient de deux étoiles à neutrons extrêmement lourdes, qui s'étaient enroulés l'un autour de l'autre dans une galaxie lointaine avant de finalement s'écraser à une vitesse proche de la vitesse de la lumière. La collision a envoyé des ondes gravitationnelles ondulant à travers l'univers et a également libéré un éclat de lumière, qui a été capté par des télescopes sur et autour de la Terre.

Cet éclat de lumière était ce qui a plongé le monde scientifique dans le vertige. LIGO avait déjà capté des lectures d'ondes gravitationnelles, mais tous les précédents étaient issus de collisions de deux trous noirs, qui ne peut pas être vu avec les télescopes conventionnels.

Mais ils pouvaient voir la lumière des étoiles à neutrons en collision, et la combinaison des vagues et de la lumière a déverrouillé un trésor de richesses scientifiques. Parmi eux se trouvaient les deux informations dont Holz avait besoin pour calculer la constante de Hubble.

Comment fonctionne la méthode ?

Pour faire cette mesure de la constante de Hubble (du nom du scientifique pionnier et ancien d'UCicago Edwin Hubble), vous devez savoir à quelle vitesse un objet, comme une paire d'étoiles à neutrons nouvellement en collision, s'éloigne de la Terre, et à quelle distance c'était au départ. L'équation est étonnamment simple. Cela ressemble à ceci :La constante de Hubble est la vitesse de l'objet divisée par la distance à l'objet, ou H=v/d.

Un peu contre-intuitivement, la partie la plus simple à calculer est la vitesse à laquelle l'objet se déplace. Grâce à la brillante rémanence dégagée par la collision, les astronomes pouvaient pointer des télescopes vers le ciel et localiser la galaxie où les étoiles à neutrons sont entrées en collision. Ensuite, ils peuvent profiter d'un phénomène appelé redshift :lorsqu'un objet lointain s'éloigne de nous, la couleur de la lumière qu'elle émet se déplace légèrement vers l'extrémité rouge du spectre. En mesurant la couleur de la lumière de la galaxie, ils peuvent utiliser cette rougeur pour estimer à quelle vitesse la galaxie s'éloigne de nous. C'est une astuce centenaire pour les astronomes.

La partie la plus difficile est d'obtenir une mesure précise de la distance à l'objet. C'est là qu'interviennent les ondes gravitationnelles. Le signal capté par les détecteurs LIGO est interprété comme une courbe, comme ça:

La forme du signal indique aux scientifiques la taille des deux étoiles et la quantité d'énergie dégagée par la collision. En comparant cela avec la force des vagues lorsqu'elles ont atteint la Terre, ils pouvaient déduire à quelle distance les étoiles devaient être.

La valeur initiale de cette seule sirène standard était de 70 kilomètres par seconde par mégaparsec. C'est juste entre les deux autres méthodes, qui en trouvent environ 73 (à partir de la méthode de la supernova) et 67 (à partir du fond diffus cosmologique).

Bien sûr, ce n'est qu'un seul point de données. Mais les détecteurs LIGO se rallument après une mise à niveau pour augmenter leur sensibilité. Alors que personne ne sait exactement à quelle fréquence les étoiles à neutrons entrent en collision, Holz est co-auteur d'un article estimant que la méthode des ondes gravitationnelles peut fournir une solution révolutionnaire, mesure extrêmement précise de la constante de Hubble en cinq ans.

"Comme le temps passe, on observera de plus en plus ces fusions binaires d'étoiles à neutrons, et les utiliser comme sirènes standard pour améliorer régulièrement notre estimation de la constante de Hubble. Selon où notre valeur tombe, nous pourrions confirmer une méthode ou l'autre. Ou nous pourrions trouver une valeur entièrement différente, " Holz a dit. " Peu importe ce que nous trouvons, ça va être intéressant et ce sera une étape importante pour en savoir plus sur notre univers."