Ondes gravitationnelles à lentilles —

Ce n’est pas une mince affaire de mesurer la vitesse à laquelle les objets s’éloignent les uns des autres sur de grandes distances. Depuis la découverte de l’expansion cosmique, son taux a été mesuré et re-mesuré avec une précision croissante, avec certaines des dernières valeurs allant de 67,4 à 76,5 kilomètres par seconde par mégaparsec, ce qui relie la vitesse de récession (en kilomètres par seconde) à la distance (en mégaparsecs).

L’écart entre les différentes mesures de l’expansion cosmique s’appelle la “tension de Hubble”. Certains l’ont appelé une crise de la cosmologie. Mais pour l’astrophysicien théorique de l’UC Santa Barbara Tejaswi Venumadhav Nerella et ses collègues du Tata Institute of Fundamental Research à Bangalore, en Inde, et du Centre interuniversitaire d’astronomie et d’astrophysique de Pune, en Inde, c’est une période passionnante.

Depuis la première détection d’ondes gravitationnelles en 2015, les détecteurs ont été considérablement améliorés et sont sur le point de produire un riche éventail de signaux dans les années à venir. Nerella et ses collègues ont mis au point une méthode pour utiliser ces signaux pour mesurer l’expansion de l’univers, et peut-être aider à régler le débat une fois pour toutes. “Un objectif scientifique majeur des futurs détecteurs est de fournir un catalogue complet d’événements d’ondes gravitationnelles, et ce sera une utilisation complètement nouvelle de l’ensemble de données remarquable”, a déclaré Nerella, co-auteur d’un article publié dans Lettres d’examen physique.

Les mesures du taux d’expansion cosmique se résument à la vitesse et à la distance. Les astronomes utilisent deux types de méthodes pour mesurer les distances : la première commence avec des objets d’une longueur connue (“règles standard”) et regarde leur taille dans le ciel. Ces “objets” sont des caractéristiques du rayonnement de fond cosmique ou de la distribution des galaxies dans l’univers.

Une deuxième classe de méthodes commence avec des objets de luminosité connue (“bougies standard”) et mesure leurs distances de la Terre en utilisant leur luminosité apparente. Ces distances sont reliées à celles d’objets lumineux plus éloignés, etc., ce qui constitue une chaîne de schémas de mesure souvent appelée “échelle de distance cosmique”. Incidemment, les ondes gravitationnelles elles-mêmes peuvent également aider à mesurer l’expansion cosmique, puisque l’énergie libérée par la collision d’étoiles à neutrons ou de trous noirs peut être utilisée pour estimer la distance à ces objets.

La méthode proposée par Nerella et ses co-auteurs appartient à la seconde classe mais utilise la lentille gravitationnelle. C’est un phénomène qui se produit lorsque des objets massifs déforment l’espace-temps et courbent les ondes de toutes sortes qui se déplacent à proximité des objets. Dans de rares cas, la lentille peut produire plusieurs copies du même signal d’onde gravitationnelle qui atteint la Terre à des moments différents – les retards entre les signaux pour une population d’événements imagés multiples peuvent être utilisés pour calculer le taux d’expansion de l’univers, selon les chercheurs.

“Nous comprenons très bien à quel point les détecteurs d’ondes gravitationnelles sont sensibles, et il n’y a pas de sources astrophysiques de confusion, nous pouvons donc correctement tenir compte de ce qui entre dans notre catalogue d’événements”, a déclaré Nerella. “La nouvelle méthode a des sources d’erreur complémentaires à celles des méthodes existantes, ce qui en fait un bon discriminateur.”

Les sources de ces signaux seraient des trous noirs binaires : des systèmes de deux trous noirs qui orbitent l’un autour de l’autre et finissent par fusionner, libérant des quantités massives d’énergie sous forme d’ondes gravitationnelles. Nous n’avons pas encore détecté d’exemples fortement lentilles de ces signaux, mais la prochaine génération de détecteurs au sol devrait avoir le niveau de sensibilité nécessaire.

“Nous nous attendons à la première observation d’ondes gravitationnelles à lentilles dans les prochaines années”, a déclaré le co-auteur de l’étude, Parameswaran Ajith. De plus, ces futurs détecteurs devraient pouvoir voir plus loin dans l’espace et détecter des signaux plus faibles.

Les auteurs s’attendent à ce que ces détecteurs avancés commencent leur recherche de trous noirs fusionnés au cours de la prochaine décennie. Ils prévoient d’enregistrer les signaux de quelques millions de paires de trous noirs, dont une petite fraction (environ 10 000) apparaîtra plusieurs fois dans le même détecteur en raison de la lentille gravitationnelle. La distribution des délais entre ces apparitions répétées encode le taux d’expansion de Hubble.

Selon l’auteur principal Souvik Jana, contrairement à d’autres méthodes de mesure, cette méthode ne repose pas sur la connaissance des emplacements exacts ou des distances de ces trous noirs binaires. La seule exigence est d’identifier avec précision un nombre suffisamment grand de ces signaux lentilles. Les chercheurs ajoutent que les observations d’ondes gravitationnelles lentilles peuvent même fournir des indices sur d’autres questions cosmologiques, telles que la nature de la matière noire invisible qui constitue une grande partie du contenu énergétique de l’univers.