L'histoire de la science est remplie d'histoires de chercheurs enthousiastes qui gagnent lentement des collègues sceptiques à leur point de vue. L'astrophysicien Scott Hughes peut s'identifier à ces récits.

« Pendant les 15 ou 16 premières années de ma carrière, je parlais à des astronomes, et j'ai toujours eu l'impression qu'ils s'intéressaient poliment à ce que j'avais à dire, mais me considérait comme un passionné aux yeux fous qui leur parlait d'un troupeau de licornes que mes amis et moi élevions, " dit Hugues.

"Maintenant, " il a continué, "il y a des gens qui s'en vont, 'Ouh, toutes ces licornes que tu as trouvées, puis-je les utiliser pour résoudre mon problème ? Vos licornes ont-elles des ailes ? Sont-ils brillants ? »

Ces licornes sont des ondes gravitationnelles, un domaine de la physique dans lequel Hughes se spécialise. Tout en travaillant comme chercheurs postdoctoraux au Kavli Institute for Theoretical Physics (KITP) de l'UC Santa Barbara, Hughes et son collègue, Daniel Holz, ont été parmi les premiers à proposer d'utiliser les phénomènes, en combinaison avec des observations au télescope, pour mesurer la constante de Hubble, une quantité fondamentale impliquée dans la description de l'expansion de l'univers.

Au fur et à mesure que l'univers s'étend, il éloigne de nous les objets célestes. Cela étend la longueur d'onde de la lumière que nous détectons à partir de ces objets, la faisant chuter en fréquence, tout comme une sirène sur une ambulance qui passe. Plus l'objet s'éloigne rapidement, plus sa lumière se déplacera vers l'extrémité rouge du spectre. La constante de Hubble relie la distance d'un objet à la Terre à ce décalage vers le rouge, et donc la vitesse de l'objet lorsqu'il est emporté.

L'un des meilleurs outils d'un astronome pour calculer ceci est une bougie standard, toute classe d'objets qui ont toujours le même, luminosité normale. Si les scientifiques connaissent la luminosité d'un objet, ils peuvent déterminer sa distance en mesurant à quel point il nous apparaît sombre sur Terre.

Pendant des décennies, les scientifiques ont essayé d'obtenir des mesures précises de la constante de Hubble afin d'étudier pourquoi l'univers est en expansion, et, En réalité, accélérer. Cela se résout finalement à mesurer les décalages vers le rouge des objets et à les faire correspondre avec des mesures indépendantes des distances des objets par rapport à nous. Cependant, ces deux mesures les plus précises que les scientifiques ont actuellement pour la constante de Hubble ne sont pas d'accord - une source inépuisable de frustration pour les cosmologistes.

Une proposition

Tel était le paysage cosmologique au début des années 2000, lorsque Holz et Hughes occupaient des postes de chercheurs postdoctoraux au KITP. "Scott pensait aux ondes gravitationnelles depuis un moment, " dit Holz. " Il était l'expert, et j'étais beaucoup plus concentré sur les questions cosmologiques. » Mais l'enthousiasme de Hughes a rapidement piqué la curiosité de Holz, et les deux ont commencé à parler de cosmologie des ondes gravitationnelles au bureau et lors de promenades le long des falaises de Santa Barbara.

Holz et Hughes attribuent leur étroite collaboration à la construction de la nouvelle aile de Kohn Hall en 2001. Initialement, tous les post-doctorants du KITP avaient leurs propres bureaux, expliqua Hughes, mais la construction les a forcés à doubler. "Soudain, nous passions beaucoup plus de temps l'un avec l'autre."

Un programme KITP de 2002 sur les données cosmologiques a attisé leur intérêt pour le sujet. Au moment où Hughes est parti pour rejoindre la faculté du MIT, ils avaient terminé le premier brouillon de leur article détaillant comment calculer la constante de Hubble avec les ondes gravitationnelles. Après deux ans de gestation, ils ont finalement publié l'étude dans The Journal d'astrophysique .

"J'ai passé un bon moment à écrire cet article avec Scott, " a déclaré Holz. " J'ai appris une quantité incroyable. A tel point que j'étais convaincu que les ondes gravitationnelles étaient l'avenir, et que je devrais m'impliquer."

L'idée d'utiliser des sources d'ondes gravitationnelles pour mesurer la constante de Hubble n'était pas nouvelle. Le concept a été proposé pour la première fois dans un article visionnaire en 1986 par Bernard Schutz. Et un certain nombre d'autres notions concernant les ondes gravitationnelles flottaient également dans la littérature au début des années 2000. Mais Holz et Hughes ont synthétisé toutes ces idées et souligné la possibilité de combiner les données des ondes gravitationnelles avec des observations de suivi utilisant la lumière.

L'étude a également été la première à utiliser le terme « sirène standard ». Hughes a rappelé avoir discuté de l'article avec l'astrophysicien de Caltech, Sterl Phinney, qui a remarqué, "Hmm. Un peu comme une bougie standard, mais vous l'entendez. Vous devriez l'appeler une sirène standard." Holz a eu indépendamment une conversation presque identique avec le physicien Sean Carroll, lui-même ancien postdoctorant du KITP. Holz et Hughes ont inclus le terme dans leur article, et ça a collé. L'expression est depuis devenue omniprésente en cosmologie.

« Le terme « sirène standard » pourrait être notre contribution la plus durable, Scott, " Holz a remarqué. " Je vais le prendre, " a ri Hughes.

L'utilisation d'ondes gravitationnelles pour mesurer la constante de Hubble présente de nombreux avantages par rapport aux autres méthodes. Certaines supernovae fournissent des bougies standard décentes, "mais, comme bougie standard, les supernovae ne sont pas très bien comprises, " a déclaré Holz. " La principale chose qui rend les sirènes standard intéressantes est qu'elles sont comprises à partir des premiers principes, directement de la théorie de la relativité générale.

Lorsque vous utilisez des bougies standard, les scientifiques doivent calibrer les distances de certaines classes d'objets en utilisant les informations des autres, sauter efficacement leur chemin vers une mesure de distance appropriée. Les astronomes appellent cette méthode une « échelle de distance, " et des erreurs et des incertitudes peuvent se glisser à de nombreux points dans les calculs.

En revanche, les ondes gravitationnelles peuvent fournir une mesure directe de la distance d'un objet. "Vous écrivez simplement les équations et vous les résolvez, et puis tu as fini, " a déclaré Holz. "Nous avons testé la relativité générale pendant cent ans; ça marche vraiment, et il dit 'voici à quelle distance se trouve cette source.' Il n'y a pas d'échelle de distance, il n'y a rien de tout cela à tripoter."

Tous les premiers articles sur la mesure de la constante de Hubble à l'aide d'ondes gravitationnelles étaient quelque peu spéculatifs, selon Holz. C'étaient des propositions pour un futur lointain. "Nous n'avions même pas encore détecté d'ondes gravitationnelles, beaucoup moins d'ondes de deux étoiles à neutrons, beaucoup moins avec une contrepartie optique, " dit-il. Mais l'intérêt et l'enthousiasme pour la technique grandissaient.

Hughes se souvient que des collègues sont venus le voir après ses entretiens et lui ont posé des questions sur la probabilité d'observer une sirène standard au cours de la prochaine décennie. Il ne savait pas, mais il a dit qu'avec une meilleure compréhension de la contrepartie optique, ils pourraient probablement localiser un événement à moins de 10-20 degrés carrés. "Et je pense que si tu as ça, chaque morceau de grand verre sur Terre va regarder cet endroit dans le ciel, " Hughes avait dit. " Et, à la fin, C'est exactement ce qu'il s'est passé."

Et puis c'est arrivé

Le 17 août, 2017, moins de deux ans après la détection des premières ondes gravitationnelles, les observatoires LIGO et Virgo ont enregistré un signal provenant de la fusion d'étoiles à neutrons. Grâce à un système d'alerte, que Holz a aidé à établir, une rafale d'activité a suivi alors que presque tous les grands observatoires terrestres et spatiaux se sont penchés sur l'événement. Les scientifiques ont collecté des données sur la fusion dans chaque région du spectre électromagnétique.

"C'est vraiment une de ces choses où, si c'était arrivé avant ma retraite, j'aurais été heureux, ", a déclaré Hughes. "Mais c'est arrivé avant que j'aie 50 ans."

Soudainement, la cosmologie des ondes gravitationnelles était un domaine réel, et les sirènes standard étaient une autre partie de la boîte à outils. « Mais pour que quelque chose fasse si rapidement partie de la boîte à outils ? C'est extraordinairement inhabituel, " dit Holz.

Il s'avère que les cosmologistes ont besoin d'un autre outil, car ils ont actuellement deux valeurs différentes pour la constante de Hubble. Les méthodes utilisant le fond diffus cosmologique (la faible lumière laissée par le big bang) donnent une valeur d'environ 68. Pendant ce temps, les calculs qui utilisent des supernovae de type Ia - une variété de bougies standard - donnent un peu plus de 73.

Bien qu'ils semblent proches, les deux valeurs diffèrent en fait de trois écarts types, et les deux ont des barres d'erreur assez serrées. Le désaccord inquiète de plus en plus les cosmologistes, car les barres d'erreur sur ces deux valeurs ne font que se resserrer. Cela pourrait signaler un problème fondamental dans notre compréhension de l'univers, et fait l'objet d'une conférence KITP en juillet.

Il existe quelques différences intrinsèques entre les deux techniques, bien que. Le fond diffus cosmologique reflète les conditions de l'univers primitif, tandis que les supernovae brossent un tableau de l'univers actuel. "Il y a une chance que quelque chose de très étrange et inattendu se soit produit entre le début et la fin de l'univers, et c'est pourquoi ces valeurs ne concordent pas, " a déclaré Holz. Mais les cosmologistes ne le savent tout simplement pas avec certitude.

Obtenir un autre, une valeur indépendante pour la constante de Hubble aidera à résoudre cette énigme. "Parce que c'est si propre et si direct, cette mesure sera un nombre très convaincant, " expliqua Holz. " Au moins, ça éclairera cette discussion, sinon le résoudre complètement."

Holz et ses collègues, Hsin-Yu Chen et Maya Fishbach, viennent de publier un article dans la revue Nature, constatant que 20 à 30 observations permettraient aux scientifiques de calculer la constante de Hubble avec une précision de 2 %, suffisamment serré pour commencer à le comparer aux deux valeurs du fond diffus cosmologique et des supernovae.

Cet été, Holz co-organise un programme KITP sur la nouvelle ère de la physique des ondes gravitationnelles et de l'astrophysique, et le nouveau domaine de la cosmologie des sirènes standard sera un sujet de discussion majeur. En réalité, Holz a également aidé à organiser le programme de réponse rapide KITP qui a réuni des chercheurs peu de temps après la première détection d'ondes gravitationnelles par LIGO.

Holz et Hughes attribuent leur succès à leurs expériences au KITP. « Alors que nous travaillions ensemble au KITP, nous étions tous les deux enthousiastes à l'idée de mesurer la constante de Hubble à l'aide d'ondes gravitationnelles, " a déclaré Holz. " Et c'est exactement le but du KITP :réunir des personnes différentes avec des antécédents différents, en remuant la marmite et en voyant ce qui se passe."

Au cours de la dernière décennie, la carrière de Holz s'est concentrée sur la cosmologie des sirènes standard. "Et ce qui est incroyable, c'est que nous l'avons fait, " dit-il. " J'ai aidé à écrire le document qui a fait la première mesure de sirène standard jamais. C'était exactement ce que Scott et moi avions supposé des années auparavant."

"Si nous n'avions pas été tous les deux au KITP, je ne passerais pas une bonne partie de ma vie à des téléconférences LIGO en ce moment, " a déclaré Holz. "Mais je ne voudrais pas qu'il en soit autrement."