Une équipe de scientifiques internationaux, dirigé par l'Institut galicien de physique des hautes énergies (IGFAE) et le Centre d'excellence ARC pour la découverte des ondes gravitationnelles (OzGrav), a proposé une méthode simple et novatrice pour réduire la précision des mesures de la constante de Hubble à 2 % en utilisant une seule observation d'une paire d'étoiles à neutrons en fusion.

L'univers est en expansion continue. À cause de ce, des objets lointains tels que des galaxies s'éloignent de nous. En réalité, plus ils sont loin, plus ils bougent vite. Les scientifiques décrivent cette expansion à travers un nombre célèbre connu sous le nom de constante de Hubble, qui nous dit à quelle vitesse les objets de l'univers s'éloignent de nous en fonction de leur distance par rapport à nous. En mesurant la constante de Hubble de manière précise, nous pouvons également déterminer certaines des propriétés les plus fondamentales de l'univers, y compris son âge.

Depuis des décennies, les scientifiques ont mesuré la constante de Hubble avec une précision croissante, collecter des signaux électromagnétiques émis dans tout l'univers mais arriver à un résultat difficile :les deux meilleures mesures actuelles donnent des résultats incohérents. Depuis 2015, les scientifiques ont essayé de relever ce défi avec la science des ondes gravitationnelles, ondulations dans le tissu de l'espace-temps qui voyagent à la vitesse de la lumière. Les ondes gravitationnelles sont générées lors des événements cosmiques les plus violents et fournissent un nouveau canal d'information sur l'univers. Ils sont émis lors de la collision de deux étoiles à neutrons - les noyaux denses d'étoiles effondrées - et peuvent aider les scientifiques à approfondir le mystère constant de Hubble.

Contrairement aux trous noirs, la fusion des étoiles à neutrons produit à la fois des ondes gravitationnelles et électromagnétiques, comme les rayons X, ondes radio et lumière visible. Alors que les ondes gravitationnelles peuvent mesurer la distance entre la fusion étoile à neutrons et la Terre, les ondes électromagnétiques peuvent mesurer à quelle vitesse toute sa galaxie s'éloigne de la Terre. Cela crée une nouvelle façon de mesurer la constante de Hubble. Cependant, même avec l'aide d'ondes gravitationnelles, il est toujours difficile de mesurer la distance jusqu'aux fusions d'étoiles à neutrons, c'est-à-dire en partie, pourquoi les mesures actuelles basées sur les ondes gravitationnelles de la constante de Hubble ont une incertitude d'environ 16 %, beaucoup plus grand que les mesures existantes utilisant d'autres techniques traditionnelles.

Dans un article récemment publié dans le Lettres de revues astrophysiques , une équipe de scientifiques dirigée par le Centre d'excellence de l'ARC pour la découverte des ondes gravitationnelles (OzGrav) et les anciens élèves de l'Université Monash, le professeur Juan Calderón Bustillo (maintenant La Caixa Junior Leader et Marie Curie Fellow à l'Institut galicien de physique des hautes énergies de l'Université de Saint-Jacques-de-Compostelle , Espagne), a proposé une méthode simple et innovante pour ramener la précision de ces mesures à 2 % en utilisant une seule observation d'une paire d'étoiles à neutrons en fusion.

Selon le professeur Calderón Bustillo, il est difficile d'interpréter à quelle distance ces fusions se produisent car « actuellement, on ne peut pas dire si le binaire est très loin et face à la Terre, ou si c'est beaucoup plus près, avec la Terre dans son plan orbital." Pour trancher entre ces deux scénarios, l'équipe a proposé d'étudier le secondaire, des composantes beaucoup plus faibles des signaux d'ondes gravitationnelles émis par les fusions d'étoiles à neutrons, connu sous le nom de modes supérieurs.

"Tout comme un orchestre joue différents instruments, les fusions d'étoiles à neutrons émettent des ondes gravitationnelles selon différents modes, " explique le professeur Calderón Bustillo. " Lorsque les étoiles à neutrons en fusion vous font face, vous n'entendrez que l'instrument le plus fort. Cependant, si vous êtes proche du plan orbital de la fusion, vous devriez également entendre les secondaires. Cela nous permet de déterminer l'inclinaison de la fusion étoile à neutrons, et mieux mesurer la distance."

Cependant, la méthode n'est pas complètement nouvelle :"Nous savons que cela fonctionne bien pour le cas de fusions très massives de trous noirs car nos détecteurs actuels peuvent enregistrer l'instant de fusion lorsque les modes supérieurs sont les plus importants. Mais dans le cas des étoiles à neutrons, la hauteur du signal de fusion est si élevée que nos détecteurs ne peuvent pas l'enregistrer. Nous ne pouvons enregistrer que les orbites antérieures, " dit le professeur Calderón Bustillo.

Futurs détecteurs d'ondes gravitationnelles, comme le projet australien proposé NEMO, pourront accéder à l'étape de fusion proprement dite des étoiles à neutrons. "Quand deux étoiles à neutrons fusionnent, la physique nucléaire régissant leur matière peut provoquer des signaux très riches qui, si détecté, pourrait nous permettre de savoir exactement où se trouve la Terre par rapport au plan orbital de la fusion, " déclare le co-auteur et chercheur en chef d'OzGrav, le Dr Paul Lasky, de l'Université Monash. Le Dr Lasky est également l'un des chefs de file du projet NEMO. "Un détecteur comme NEMO pourrait détecter ces signaux riches, " il ajoute.

Dans leur étude, l'équipe a effectué des simulations informatiques de fusions d'étoiles à neutrons qui peuvent révéler l'effet de la physique nucléaire des étoiles sur les ondes gravitationnelles. En étudiant ces simulations, l'équipe a déterminé qu'un détecteur comme NEMO pouvait mesurer la constante de Hubble avec une précision de 2 %.

Co-auteur de l'étude Pr Tim Dietrich, de l'Université de Potsdam, dit :"Nous avons découvert que les détails fins décrivant la façon dont les neutrons se comportent à l'intérieur de l'étoile produisent des signatures subtiles dans les ondes gravitationnelles qui peuvent grandement aider à déterminer le taux d'expansion de l'univers. Il est fascinant de voir comment les effets à la plus petite échelle nucléaire peuvent déduire ce qui se passe au plus grand cosmologique possible."

Samson Léong, étudiant de premier cycle à l'Université chinoise de Hong Kong et co-auteur de l'étude souligne "l'une des choses les plus excitantes à propos de notre résultat est que nous avons obtenu une si grande amélioration tout en considérant un scénario plutôt conservateur. Alors que NEMO sera en effet sensible à l'émission de fusions d'étoiles à neutrons, des détecteurs plus évolués comme Einstein Telescope ou Cosmic Explorer seront encore plus sensibles, nous permettant ainsi de mesurer l'expansion de l'univers avec une précision encore meilleure !"

L'une des implications les plus remarquables de cette étude est qu'elle pourrait déterminer si l'univers s'étend uniformément dans l'espace, comme on le suppose actuellement. "Les méthodes précédentes pour atteindre ce niveau de précision reposent sur la combinaison de nombreuses observations, en supposant que la constante de Hubble est la même dans toutes les directions et tout au long de l'histoire de l'univers, " dit Calderón Bustillo. " Dans notre cas, chaque événement individuel donnerait une estimation très précise de « sa propre constante de Hubble, " nous permettant de tester s'il s'agit bien d'une constante ou si elle varie dans l'espace et dans le temps."