Les scientifiques des ondes gravitationnelles proposent une nouvelle façon d’affiner la constante de Hubble – l’expansion et l’âge de l’univers


Les scientifiques des ondes gravitationnelles proposent une nouvelle façon d'affiner la constante de Hubble - l'expansion et l'âge de l'univers

Illustration de l’artiste d’une paire d’étoiles à neutrons en fusion. Crédit photo: Carl Knox, Université OzGrav-Swinburne

Une équipe de scientifiques internationaux dirigée par l’Institut galicien pour la physique des hautes énergies (IGFAE) et le Centre d’excellence de l’ARC pour la découverte des (OzGrav) a proposé une méthode simple et innovante pour réduire la précision des mesures de la de Hubble à un minimum de 2%. en utilisant une seule observation d’une paire d’étoiles à neutrons en fusion.

L’ est en constante expansion. Pour cette raison, des objets éloignés comme galaxies s’éloignent de nous. Plus ils sont éloignés, plus ils se déplacent rapidement. Les scientifiques décrivent cette expansion par un nombre célèbre connu sous le nom de constante de Hubble. Il indique à quelle vitesse les objets de l’univers s’éloignent de nous en fonction de leur distance par rapport à nous. En mesurant avec précision la constante de Hubble, nous pouvons également déterminer certaines des propriétés les plus fondamentales de l’univers, y compris son âge.

Depuis des décennies, les scientifiques mesurent la constante de Hubble avec une précision croissante et collectent les signaux électromagnétiques émis dans tout l’univers, mais ils arrivent à une conclusion difficile: les deux meilleures mesures actuellement disponibles donnent des résultats incohérents. Depuis 2015, les scientifiques tentent de relever ce défi avec la science des ondes gravitationnelles, des ondes dans le tissu de l’espace-temps qui se déplacent à la vitesse de la lumière. Les ondes gravitationnelles sont générées lors des événements cosmiques les plus violents et offrent 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 éternel de Hubble.

Contrairement aux trous noirs, les étoiles à neutrons qui fusionnent génèrent des ondes gravitationnelles et électromagnétiques telles que les rayons X, les ondes radio et la lumière visible. Alors que les ondes gravitationnelles peuvent mesurer la distance entre la fusion des étoiles à neutrons et la Terre, les ondes électromagnétiques peuvent mesurer la vitesse à laquelle toute votre galaxie s’éloigne de la Terre. Cela crée une nouvelle façon de mesurer la constante de Hubble. Cependant, même avec l’aide des ondes gravitationnelles, il est encore difficile de mesurer la distance aux fusions neutrons-étoiles. C’est en partie pourquoi les mesures actuelles de la constante de Hubble basées sur les ondes gravitationnelles ont une incertitude d’environ 16%, ce qui est beaucoup plus grand que les mesures existantes utilisant d’autres techniques traditionnelles.

Dans un article récent du Lettres de journal astrophysique, une équipe de scientifiques dirigée par le Centre d’excellence de l’ARC pour la découverte des ondes gravitationnelles (OzGrav) et d’anciens élèves de l’Université Monash, le professeur Juan Calderón Bustillo (maintenant chef junior de La Caixa et Marie Curie Fellow à l’Institut galicien de l’université pour la physique des hautes énergies de Santiago de Compostela, Espagne) a proposé une méthode simple et nouvelle pour réduire 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 jusqu’où se situent ces fusions car « on ne peut pas dire actuellement si le binaire est très éloigné et fait face à la terre ou s’il est beaucoup plus proche de la terre dans son plan orbital ». «Pour décider entre ces deux scénarios, l’équipe a suggéré d’examiner des composants secondaires, beaucoup plus faibles, des signaux d’ondes gravitationnelles émis par les fusions d’étoiles à neutrons connues sous le nom de modes supérieurs.

«Tout comme un orchestre joue différents instruments, les fusions d’étoiles à neutrons envoient des ondes gravitationnelles selon différents modes», explique le professeur Calderón Bustillo. « Lorsque les étoiles à neutrons qui fusionnent vous font face, vous n’entendrez que l’instrument le plus fort. Cependant, si vous êtes près du plan orbital de fusion, vous devriez également entendre les étoiles secondaires. De cette façon, nous pouvons déterminer l’inclinaison de l’étoile à neutrons, et mieux la fusion Mesurer la distance. « 

Cependant, la méthode n’est pas entièrement nouvelle: «Nous savons que cela fonctionne bien pour les fusions de trous noirs très massifs, car nos détecteurs actuels peuvent enregistrer le temps de fusion lorsque les modes les plus élevés sont le plus accentués. La hauteur du signal de fusion est si élevée que nos détecteurs ne peuvent pas l’enregistrer. Nous ne pouvons enregistrer que les orbites précédentes », explique le professeur Calderón Bustillo.

Les futurs détecteurs d’ondes gravitationnelles tels que le projet australien proposé NEMO pourront accéder au niveau de fusion réel des étoiles à neutrons. « Lorsque deux étoiles à neutrons fusionnent, la physique nucléaire qui régit leur matière peut produire des signaux très riches qui nous permettent de savoir exactement où se trouve la Terre par rapport à l’orbite de la fusion », a déclaré le co-auteur et chercheur en chef d’OzGrav, le Dr. Paul Lasky de l’Université Monash. Dr. Lasky est également l’un des chefs de file du projet NEMO. «Un détecteur comme NEMO pourrait voir ces signaux audacieux», ajoute-t-il.

Dans leur étude, l’équipe a réalisé des simulations informatiques de fusions neutrons-étoiles, qui peuvent montrer l’influence de la physique nucléaire des étoiles sur les ondes gravitationnelles. En examinant ces simulations, l’équipe a découvert qu’un détecteur comme NEMO pouvait mesurer la constante de Hubble avec une précision de 2%.

Le co-auteur de l’étude, le professeur Tim Dietrich de l’Université de Potsdam, déclare: « Nous avons constaté que les petits détails qui décrivent le comportement des neutrons dans l’étoile créent des signatures subtiles dans les ondes gravitationnelles qui aident à déterminer le taux d’expansion de les Sterns peuvent être très utiles. Il est fascinant de voir comment les effets sur le plus petit niveau nucléaire peuvent déduire ce qui se passe au plus grand niveau cosmologique possible. « 

Samson Leong, étudiant à l’Université de Hong Kong en Chine et co-auteur de l’étude, souligne que « l’une des choses les plus excitantes à propos de notre résultat est que, étant donné un scénario plus conservateur, nous avons fait un si grand amélioration. NEMO le fera dans la Loi.  » Soyez plus sensible à l’émission de fusion d’étoiles à neutrons. Les détecteurs avancés tels que le télescope Einstein ou Cosmic Explorer sont encore plus sensibles et nous permettent de mesurer encore plus précisément l’expansion de l’univers. « 

L’une des implications les plus importantes de cette étude est qu’elle pourrait déterminer si l’univers s’étend uniformément dans l’espace, comme on le croit actuellement. «Les méthodes précédentes pour atteindre ce niveau de précision reposaient sur la combinaison de nombreuses observations, à condition que la constante de Hubble soit la même dans toutes les directions et tout au long de l’histoire de l’univers», explique Calderón Bustillo. « Dans notre cas, chaque événement fournirait une estimation très précise de » sa propre constante de Hubble « afin que nous puissions tester si c’est réellement une constante ou si elle varie dans l’espace et le temps. »


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Plus d’information:
Juan Calderon Bustillo et coll. Cartographie de l’expansion de l’univers: Permettre des mesures de la constante de Hubble au niveau du pourcentage avec une seule binaire de fusion d’étoiles à neutrons, Les lettres du journal astrophysique (2021). DOI: 10.3847 / 2041-8213 / abf502

Sur Arxiv: arxiv.org/abs/2006.11525

Fourni par le Centre d’Excellence ARC pour la détection des ondes gravitationnelles

Citation: Les scientifiques des ondes gravitationnelles proposent une nouvelle façon d’affiner la constante de Hubble – l’expansion et l’âge de l’univers (2021, 4 mai), consulté le 4 mai 2021 sur https://phys.org/news/2021-05- gravitational -wave-scientist-method-raffine-hubble.html

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