Les astrophysiciens proposent une nouvelle façon de mesurer l'expansion cosmique : les ondes gravitationnelles lentillées.

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par Sonia Fernandez, Université de Californie - Santa Barbara

L'univers est en expansion ; nous avons des preuves de cela depuis environ un siècle. Mais à quel point les objets célestes s'éloignent-ils les uns des autres est encore sujet à débat.

Il n'est pas facile de mesurer la vitesse à laquelle les objets s'éloignent les uns des autres sur de vastes distances. Depuis la découverte de l'expansion cosmique, sa vitesse a été mesurée et re-mesurée avec une précision croissante, 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).

La disparité entre différentes mesures de l'expansion cosmique est appelée "tension de Hubble". Certains l'ont qualifiée de crise en cosmologie. Mais pour Tejaswi Venumadhav Nerella, astrophysicien théoricien de l'UC Santa Barbara, et ses collègues de l'Institut Tata de Recherche Fondamentale à Bangalore, en Inde, et du Centre Inter-Universitaire d'Astronomie et d'Astrophysique à Pune, en Inde, c'est une période excitante.

Depuis la première détection des ondes gravitationnelles en 2015, les détecteurs ont été considérablement améliorés et devraient fournir une riche quantité de signaux dans les années à venir. Nerella et ses collègues ont mis au point une méthode permettant d'utiliser ces signaux pour mesurer l'expansion de l'univers et peut-être contribuer à résoudre 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 ceci sera une utilisation totalement nouvelle de l'ensemble de données remarquable", a déclaré Nerella, co-auteur d'un article publié dans Physical Review Letters.

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 : les premières commencent par des objets de longueur connue ("règles standard") et examinent leur taille apparente 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 par des objets de luminosité connue ("bougies standard") et mesure leurs distances par rapport à la Terre en utilisant leur luminosité apparente. Ces distances sont liées à celles d'autres objets lumineux plus éloignés, et ainsi de suite, ce qui constitue une chaîne de techniques de mesure souvent appelée "échelle des distances cosmiques". Par ailleurs, les ondes gravitationnelles elles-mêmes peuvent également aider à mesurer l'expansion cosmique, car l'énergie libérée par la collision d'étoiles à neutrons ou de trous noirs peut être utilisée pour estimer la distance de ces objets.

La méthode que Nerella et ses co-auteurs proposent appartient à la deuxième classe, mais utilise la lentille gravitationnelle. Il s'agit d'un phénomène qui se produit lorsque des objets massifs déforment l'espace-temps et courbent les ondes de toutes sortes qui voyagent près des objets. Dans des cas rares, la lentille peut produire plusieurs copies du même signal d'ondes gravitationnelles qui atteignent la Terre à des moments différents - les retards entre les signaux pour une population d'événements à images multiples peuvent être utilisés pour calculer le taux d'expansion de l'univers, selon les chercheurs.

"Nous comprenons très bien la sensibilité des détecteurs d'ondes gravitationnelles, 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 présente des erreurs 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 s'orbent mutuellement et fusionnent finalement, libérant d'énormes quantités d'énergie sous forme d'ondes gravitationnelles. Nous n'avons pas encore détecté d'exemples fortement lensés de ces signaux, mais la prochaine génération de détecteurs terrestres devrait avoir le niveau de sensibilité nécessaire.

"Nous nous attendons à la première observation d'ondes gravitationnelles lensées dans les prochaines années", a déclaré Parameswaran Ajith, co-auteur de l'étude. De plus, ces futurs détecteurs devraient être capables de voir plus loin dans l'espace et de détecter des signaux plus faibles.

The authors expect these advanced detectors to start their search for merging black holes in the next decade. They anticipate recording signals from a few million black hole pairs, a small fraction (about 10,000) of which will appear multiple times in the same detector due to gravitational lensing. The distribution of the delays between these repeat appearances encodes the Hubble expansion rate.

According to lead author Souvik Jana, unlike other methods of measurement, this method does not rely on knowing the exact locations of, or the distances to, these binary black holes. The only requirement is to accurately identify a sufficiently large number of these lensed signals. The researchers add that observations of lensed gravitational waves can even provide clues on other cosmological questions, such as the nature of the invisible dark matter that makes up much of the energy content of the universe.