Vue d'artiste de l'explosion et de l'explosion d'ondes gravitationnelles émises lors de la collision d'une paire d'étoiles à neutrons superdenses. De nouvelles observations avec des radiotélescopes montrent que de tels événements peuvent être utilisés pour mesurer le taux d'expansion de l'Univers. Crédit :NRAO/AUI/NSF
Des astronomes utilisant des radiotélescopes de la National Science Foundation (NSF) ont démontré comment une combinaison d'observations par ondes gravitationnelles et radio, avec la modélisation théorique, peut transformer les fusions de paires d'étoiles à neutrons en une « règle cosmique » capable de mesurer l'expansion de l'Univers et de résoudre une question en suspens sur son taux.
Les astronomes ont utilisé le Very Long Baseline Array (VLBA) de la NSF, le Karl G. Jansky Very Large Array (VLA) et le Robert C. Byrd Green Bank Telescope (GBT) pour étudier les séquelles de la collision de deux étoiles à neutrons qui ont produit des ondes gravitationnelles détectées en 2017. Cet événement a offert une nouvelle façon de mesurer le taux d'expansion de l'Univers, connue par les scientifiques sous le nom de constante de Hubble. Le taux d'expansion de l'Univers peut être utilisé pour déterminer sa taille et son âge, ainsi que servir d'outil essentiel pour interpréter les observations d'objets ailleurs dans l'Univers.
Deux principales méthodes de détermination de la constante de Hubble utilisent les caractéristiques du fond diffus cosmologique, le rayonnement résiduel du Big Bang, ou un type spécifique d'explosions de supernova, appelé Type Ia, dans l'Univers lointain. Cependant, ces deux méthodes donnent des résultats différents.
"La fusion d'étoiles à neutrons nous offre une nouvelle façon de mesurer la constante de Hubble, et j'espère résoudre le problème, " a déclaré Kunal Mooley, de l'Observatoire national de radioastronomie (NRAO) et de Caltech.
La technique est similaire à celle utilisant les explosions de supernova. On pense que les explosions de supernova de type Ia ont toutes une luminosité intrinsèque qui peut être calculée en fonction de la vitesse à laquelle elles s'éclaircissent puis s'estompent. La mesure de la luminosité vue de la Terre indique ensuite la distance jusqu'à l'explosion de la supernova. La mesure du décalage Doppler de la lumière de la galaxie hôte de la supernova indique la vitesse à laquelle la galaxie s'éloigne de la Terre. La vitesse divisée par la distance donne la constante de Hubble. Pour obtenir un chiffre précis, bon nombre de ces mesures doivent être effectuées à différentes distances.
Lorsque deux étoiles à neutrons massives entrent en collision, ils produisent une explosion et un sursaut d'ondes gravitationnelles. La forme du signal des ondes gravitationnelles indique aux scientifiques à quel point cette explosion d'ondes gravitationnelles était "brillante". Mesurer la « luminosité, " ou l'intensité des ondes gravitationnelles reçues sur Terre peut donner la distance.
Les observations radio d'un jet de matière éjecté à la suite de la fusion étoile à neutrons ont été essentielles pour permettre aux astronomes de déterminer l'orientation du plan orbital des étoiles avant leur fusion, et donc la « luminosité » des ondes gravitationnelles émises en direction de la Terre. Cela peut faire de ces événements un nouvel outil important pour mesurer le taux d'expansion de l'Univers. Crédit :Sophia Dagnello, NRAO/AUI/NSF
"Il s'agit d'un moyen de mesure complètement indépendant qui, nous l'espérons, pourra clarifier quelle est la vraie valeur de la constante de Hubble, " dit Moley.
Cependant, il y a une torsion. L'intensité des ondes gravitationnelles varie avec leur orientation par rapport au plan orbital des deux étoiles à neutrons. Les ondes gravitationnelles sont plus fortes dans la direction perpendiculaire au plan orbital, et plus faible si le plan orbital est de face vu de la Terre.
"Afin d'utiliser les ondes gravitationnelles pour mesurer la distance, nous avions besoin de connaître cette orientation, " a déclaré Adam Deller, de l'Université de technologie de Swinburne en Australie.
Sur une période de plusieurs mois, les astronomes ont utilisé les radiotélescopes pour mesurer le mouvement d'un jet de matière ultrarapide éjecté de l'explosion. "Nous avons utilisé ces mesures avec des simulations hydrodynamiques détaillées pour déterminer l'angle d'orientation, permettant ainsi l'utilisation des ondes gravitationnelles pour déterminer la distance, ", a déclaré Ehud Nakar de l'Université de Tel Aviv.
