L'étude des collisions violentes des trous noirs et des étoiles à neutrons pourrait bientôt fournir une nouvelle mesure du taux d'expansion de l'Univers, aider à résoudre un différend de longue date, suggère une nouvelle étude de simulation menée par des chercheurs de l'UCL (University College London).

Nos deux meilleures façons actuelles d'estimer le taux d'expansion de l'Univers :mesurer la luminosité et la vitesse des étoiles pulsantes et explosives, et en regardant les fluctuations du rayonnement de l'Univers primitif - donner des réponses très différentes, suggérant que notre théorie de l'Univers peut être fausse.

Un troisième type de mesure, en regardant les explosions de lumière et les ondulations dans le tissu spatial causées par les collisions trou noir-étoile à neutrons, devrait aider à résoudre ce désaccord et à clarifier si notre théorie de l'Univers a besoin d'être réécrite.

La nouvelle étude, Publié dans Lettres d'examen physique , 25 simulé, 000 scénarios de collision de trous noirs et d'étoiles à neutrons, visant à voir combien seraient probablement détectés par des instruments sur Terre entre le milieu et la fin des années 2020.

Les chercheurs ont découvert que, d'ici 2030, les instruments sur Terre pourraient détecter des ondulations dans l'espace-temps causées par jusqu'à 3, 000 de ces collisions, et que pour une centaine de ces événements, les télescopes verraient également des explosions de lumière qui les accompagnent.

Ils ont conclu que ces données seraient suffisantes pour fournir une nouvelle, mesure totalement indépendante du taux d'expansion de l'Univers, suffisamment précis et fiable pour confirmer ou infirmer le besoin d'une nouvelle physique.

L'auteur principal, le Dr Stephen Feeney (UCL Physics &Astronomy) a déclaré:"Une étoile à neutrons est une étoile morte, créé lorsqu'une très grande étoile explose puis s'effondre, et il est incroyablement dense—généralement 10 miles de diamètre mais avec une masse jusqu'à deux fois celle de notre Soleil. Sa collision avec un trou noir est un événement cataclysmique, provoquant des ondulations de l'espace-temps, appelées ondes gravitationnelles, que l'on peut désormais détecter sur Terre avec des observatoires comme LIGO et Virgo.

"Nous n'avons pas encore détecté la lumière de ces collisions. Mais les progrès de la sensibilité des équipements détectant les ondes gravitationnelles, avec de nouveaux détecteurs en Inde et au Japon, conduira à un énorme bond en avant en termes de nombre de ces types d'événements que nous pouvons détecter. C'est incroyablement excitant et devrait ouvrir une nouvelle ère pour l'astrophysique."

Pour calculer le taux d'expansion de l'Univers, connue sous le nom de constante de Hubble, les astrophysiciens ont besoin de connaître la distance des objets astronomiques par rapport à la Terre ainsi que la vitesse à laquelle ils s'éloignent. L'analyse des ondes gravitationnelles nous indique à quelle distance se trouve une collision, ne laissant que la vitesse à déterminer.

Pour dire à quelle vitesse la galaxie hôte d'une collision s'éloigne, nous regardons le "redshift" de la lumière, c'est-à-dire comment la longueur d'onde de la lumière produite par une source a été étirée par son mouvement. Les explosions de lumière qui pourraient accompagner ces collisions nous aideraient à localiser la galaxie où la collision s'est produite, permettant aux chercheurs de combiner des mesures de distance et des mesures de décalage vers le rouge dans cette galaxie.

Le Dr Feeney a déclaré :« Les modèles informatiques de ces événements cataclysmiques sont incomplets et cette étude devrait fournir une motivation supplémentaire pour les améliorer. Si nos hypothèses sont correctes, beaucoup de ces collisions ne produiront pas d'explosions que nous pourrons détecter :le trou noir avalera l'étoile sans laisser de trace. Mais dans certains cas, un trou noir plus petit peut d'abord déchirer une étoile à neutrons avant de l'avaler, laissant potentiellement de la matière à l'extérieur du trou qui émet un rayonnement électromagnétique."

Le co-auteur, le professeur Hiranya Peiris (UCL Physics &Astronomy and Stockholm University) a déclaré :« Le désaccord sur la constante de Hubble est l'un des plus grands mystères de la cosmologie. En plus de nous aider à démêler ce puzzle, les ondulations de l'espace-temps de ces événements cataclysmiques ouvrent une nouvelle fenêtre sur l'univers. Nous pouvons anticiper de nombreuses découvertes passionnantes au cours de la prochaine décennie. »

Des ondes gravitationnelles sont détectées dans deux observatoires aux États-Unis (les LIGO Labs), un en Italie (Vierge), et un au Japon (KAGRA). Un cinquième observatoire, LIGO-Inde, est maintenant en construction.

Nos deux meilleures estimations actuelles de l'expansion de l'Univers sont de 67 kilomètres par seconde par mégaparsec (3,26 millions d'années-lumière) et de 74 kilomètres par seconde par mégaparsec. La première est dérivée de l'analyse du fond diffus cosmologique, le rayonnement laissé par le Big Bang, tandis que la seconde vient de la comparaison d'étoiles à différentes distances de la Terre, en particulier les Céphéides, qui ont une luminosité variable, et des étoiles explosives appelées supernovae de type Ia.

Le Dr Feeney a expliqué :"Comme la mesure du fond micro-onde nécessite une théorie complète de l'Univers, mais pas la méthode stellaire, le désaccord offre des preuves alléchantes d'une nouvelle physique au-delà de notre compréhension actuelle. Avant de pouvoir faire de telles réclamations, cependant, nous avons besoin de confirmation du désaccord à partir d'observations complètement indépendantes - nous pensons que celles-ci peuvent être fournies par des collisions trou noir-étoile à neutrons."

L'étude a été réalisée par des chercheurs de l'UCL, Collège impérial de Londres, Université de Stockholm et Université d'Amsterdam. Il a été soutenu par la Royal Society, le Conseil suédois de la recherche (VR), la Fondation Knut et Alice Wallenberg, et l'Organisation néerlandaise pour la recherche scientifique (NWO).