Lorsque les scientifiques ont enregistré une ondulation dans l'espace-temps, suivi en deux secondes par un sursaut de lumière associé observé par des dizaines de télescopes à travers le monde, ils avaient été témoins, pour la première fois, la collision explosive et la fusion de deux étoiles à neutrons.

L'événement cosmologique intense observé le 17 août a également eu d'autres réverbérations ici sur Terre :il a exclu une classe de théories de l'énergie noire qui modifient la gravité, et a contesté une grande classe de théories.

Énergie noire, qui est le moteur de l'expansion accélérée de l'univers, est l'un des plus grands mystères de la physique. Il représente environ 68% de la masse et de l'énergie totales de l'univers et fonctionne comme une sorte d'antigravité, mais nous n'avons pas encore de bonne explication pour cela. Tout simplement, l'énergie noire agit pour éloigner la matière l'une de l'autre, tandis que la gravité agit pour rassembler la matière.

La fusion d'étoiles à neutrons a créé des ondes gravitationnelles - une distorsion sinueuse dans le tissu de l'espace et du temps, comme une pierre jetée envoyant des ondulations à travers un étang - qui a parcouru environ 130 millions d'années-lumière à travers l'espace, et est arrivé sur Terre presque au même instant que la lumière à haute énergie qui a jailli de cette fusion.

La signature des ondes de gravité a été détectée par un réseau de détecteurs terrestres appelés LIGO et Virgo, et le premier éclat intense de lumière a été observé par le télescope spatial à rayons gamma Fermi.

Cette heure d'arrivée presque simultanée est un test très important pour les théories sur l'énergie noire et la gravité.

"Nos résultats font des progrès significatifs pour élucider la nature de l'énergie noire, " a déclaré Miguel Zumalacárregui, un physicien théoricien qui fait partie du Berkeley Center for Cosmological Physics au Lawrence Berkeley National Laboratory du Department of Energy (Berkeley Lab) et à l'UC Berkeley.

"Les théories les plus simples ont survécu, " a-t-il dit. " C'est vraiment une question de timing. "

Lui et José Maria Ezquiaga, qui était un doctorant invité. chercheur au Berkeley Center for Cosmological Physics, participé à cette étude, qui a été publié le 18 décembre dans la revue Lettres d'examen physique .

Une théorie centenaire de la "constante cosmologique" introduite par Albert Einstein en relation avec ses travaux sur la relativité générale et d'autres théories dérivées de ce modèle restent des prétendants viables car elles proposent que l'énergie noire est une constante à la fois dans l'espace et dans le temps :Les ondes gravitationnelles et les ondes lumineuses sont affectées de la même manière par l'énergie noire, et voyagent ainsi à la même vitesse dans l'espace.

"L'explication favorite est cette constante cosmologique, " dit-il. " C'est aussi simple que cela puisse paraître. "

Il existe des théories complexes et exotiques qui résistent également au test présenté par les mesures de fusion d'étoiles. Gravité massive, par exemple - une théorie de la gravité qui attribue une masse à une particule élémentaire hypothétique appelée graviton - détient encore une petite marge de possibilité si le graviton a une très faible masse.

Quelques autres théories, bien que, qui soutenait que l'arrivée des ondes gravitationnelles serait séparée dans le temps de la signature lumineuse arrivant de la fusion d'étoiles par des périodes beaucoup plus longues - s'étendant jusqu'à des millions d'années - n'expliquent pas ce qui a été vu, et doit être modifié ou mis au rebut.

L'étude note qu'une classe de théories connues sous le nom de théories du tenseur scalaire est particulièrement contestée par les observations de fusion d'étoiles à neutrons, y compris Einstein-Ether, MOND-like (relatif à la dynamique newtonienne modifiée), Galilée, et les théories de Horndeski, pour n'en nommer que quelques-uns.

Avec des ajustements, certains des modèles contestés peuvent survivre au dernier test de la fusion des étoiles, Zumalacárregui a dit, bien qu'ils « perdent une partie de leur simplicité » dans le processus.

Zumalacárregui a rejoint le centre cosmologique l'année dernière et est une chercheuse mondiale Marie Sk?odowska-Curie spécialisée dans les études de la gravité et de l'énergie noire.

Il a commencé à étudier si les ondes gravitationnelles pouvaient fournir un test utile de l'énergie noire après l'annonce en février 2016 que les deux ensembles de détecteurs d'ondes gravitationnelles appelés LIGO (L'Observatoire des ondes gravitationnelles à interféromètre laser) ont capturé la première mesure confirmée des ondes gravitationnelles. Les scientifiques pensent que ces vagues ont été créées lors de la fusion de deux trous noirs pour créer un trou noir plus grand.

Mais ces types d'événements ne produisent pas de sursaut de lumière associé. "Vous avez besoin des deux - pas seulement des ondes gravitationnelles pour aider à tester les théories de la gravité et de l'énergie noire, " a déclaré Zumalacárregui.

Une autre étude, qu'il a publié avec Ezquiaga et autres en avril 2017, ont exploré les conditions théoriques dans lesquelles les ondes gravitationnelles pouvaient se déplacer à une vitesse différente de celle de la lumière.

Une autre implication pour ce domaine de recherche est que, en collectant les ondes gravitationnelles de ces événements et peut-être d'autres événements cosmologiques, il peut être possible d'utiliser leurs signatures caractéristiques comme « sirènes standard » pour mesurer le taux d'expansion de l'univers.

Ceci est analogue à la façon dont les chercheurs utilisent des signatures lumineuses similaires pour des objets - y compris un type d'étoiles explosives connues sous le nom de supernovae de type Ia et des étoiles pulsantes connues sous le nom de céphéides - en tant que "bougies standard" pour évaluer leur distance.

Les cosmologistes utilisent une combinaison de ces mesures pour construire une échelle de distance pour évaluer à quelle distance un objet donné se trouve de la Terre, mais il existe des divergences non résolues qui sont probablement dues à la présence de poussière spatiale et d'imperfections dans les calculs.

Rassembler plus de données à partir d'événements qui génèrent à la fois des ondes gravitationnelles et de la lumière pourrait également aider à résoudre différentes mesures de la constante de Hubble - une jauge populaire du taux d'expansion de l'univers.

Le taux de Hubble calibré avec des mesures de distance de supernovae diffère du taux de Hubble obtenu à partir d'autres observations cosmologiques, Zumalacárregui a noté, ainsi, trouver des sirènes plus standard comme les fusions d'étoiles à neutrons pourrait éventuellement améliorer les mesures de distance.

L'événement de fusion d'étoiles à neutrons d'août a présenté une opportunité inattendue mais très bienvenue, il a dit.

"Les ondes gravitationnelles sont une confirmation ou une réfutation très indépendante des mesures de l'échelle de distance, " at-il dit. "Je suis vraiment excité pour les années à venir. Au moins certains de ces modèles d'énergie noire non standard pourraient expliquer cet écart de taux de Hubble.

"Peut-être avons-nous sous-estimé certains événements, ou quelque chose n'est pas expliqué pour lequel nous devrons réviser la cosmologie standard de l'univers, " a-t-il ajouté. " Si cette norme tient, nous aurons besoin d'idées théoriques radicalement nouvelles et difficiles à vérifier expérimentalement, comme plusieurs univers - le multivers. Cependant, si cette norme échoue, nous aurons plus d'avenues expérimentales pour tester ces idées."

De nouveaux instruments et relevés du ciel sont mis en ligne et visent également à améliorer notre compréhension de l'énergie noire, y compris le projet d'instrument spectroscopique à énergie sombre dirigé par Berkeley Lab, qui devrait commencer à fonctionner en 2019. Et des scientifiques étudiant d'autres phénomènes, telles que les illusions d'optique dans l'espace causées par la lentille gravitationnelle - un effet induit par la gravité qui fait que la lumière provenant d'objets éloignés se plie et se déforme autour d'objets plus proches - sera également utile pour effectuer des mesures plus précises.

"Cela pourrait changer la façon dont nous pensons à notre univers et à notre place dans celui-ci, " a déclaré Zumalacárregui. "Cela va nécessiter de nouvelles idées."