Impression d’artiste de l’explosion et de l’éclatement des ondes gravitationnelles émises lors de la collision d’une paire d’étoiles à neutrons superdense. De nouvelles observations avec des radiotélescopes montrent que de tels événements peuvent être utilisés pour mesurer le taux d’expansion de l’Univers. Crédit: NRAO/AUI/NSF

À quelle vitesse l’univers se développe-t-il ? Nous ne savons pas avec certitude.

Les astronomes étudient l’expansion cosmique en mesurant la constante de Hubble. Ils ont mesuré cette constante de plusieurs manières différentes, mais certains de leurs résultats ne sont pas d’accord les uns avec les autres. Ce désaccord, ou tension, dans la constante de Hubble est une controverse croissante en astronomie. Mais de nouvelles observations d’étoiles à neutrons en collision pourraient apporter une solution.

Rejoignez notre animatrice Melissa Hoffman de l’Observatoire National de radioastronomie pour expliquer comment les astronomes utilisent la radioastronomie et les ondes gravitationnelles pour répondre à ce mystère cosmique.

Des astronomes utilisant des radiotélescopes de la National Science Foundation (NSF) ont démontré comment une combinaison d’observations radio et d’ondes gravitationnelles, ainsi qu’une modélisation théorique, peut transformer les fusions de paires d’étoiles à neutrons en une « règle cosmique” capable de mesurer l’expansion de l’Univers et de résoudre une question en suspens sur sa vitesse.

Les astronomes ont utilisé le Very Long Baseline Array (VLBA) de la NSF, le Very Large Array (VLA) de Karl G. Jansky et le Robert C. Télescope Byrd Green Bank (GBT) pour étudier les conséquences de la collision de deux étoiles à neutrons qui ont produit des ondes gravitationnelles détectées en 2017. Cet événement a offert une nouvelle façon de mesurer le taux d’expansion de l’Univers, connue par les scientifiques sous le nom de constante de Hubble. Le taux d’expansion de l’Univers peut être utilisé pour déterminer sa taille et son âge, ainsi que servir d’outil essentiel pour interpréter les observations d’objets ailleurs dans l’Univers.

Les observations radio d’un jet de matière éjecté à la suite de la fusion neutron-étoile ont été essentielles pour permettre aux astronomes de déterminer l’orientation du plan orbital des étoiles avant leur fusion, et donc la « luminosité” des ondes gravitationnelles émises en direction de la Terre. Cela peut faire de tels événements un nouvel outil important pour mesurer le taux d’expansion de l’Univers. Crédit: Sophia Dagnello, NRAO/AUI /NSF

Deux principales méthodes de détermination de la Constante de Hubble utilisent les caractéristiques du Fond cosmologique des Micro-ondes, les restes de rayonnement du Big Bang ou un type spécifique d’explosions de supernova, appelé Type Ia, dans l’Univers lointain. Cependant, ces deux méthodes donnent des résultats différents.

« La fusion des étoiles à neutrons nous donne une nouvelle façon de mesurer la constante de Hubble et, espérons-le, de résoudre le problème”, a déclaré Kunal Mooley, de l’Observatoire National de radioastronomie (NRAO) et de Caltech.

La technique est similaire à celle utilisant les explosions de supernova. On pense que les explosions de supernova de type Ia ont toutes une luminosité intrinsèque qui peut être calculée en fonction de la vitesse à laquelle elles s’éclaircissent puis s’estompent. La mesure de la luminosité vue de la Terre indique ensuite la distance jusqu’à l’explosion de la supernova. La mesure du décalage Doppler de la lumière de la galaxie hôte de la supernova indique la vitesse à laquelle la galaxie se retire de la Terre. La vitesse divisée par la distance donne la constante de Hubble. Pour obtenir un chiffre précis, de nombreuses mesures de ce type doivent être effectuées à différentes distances.

Lorsque deux étoiles à neutrons massifs entrent en collision, elles produisent une explosion et une explosion d’ondes gravitationnelles. La forme du signal d’ondes gravitationnelles indique aux scientifiques à quel point cette explosion d’ondes gravitationnelles était ”brillante ». La mesure de la « luminosité” ou de l’intensité des ondes gravitationnelles reçues sur Terre peut donner la distance.

« Il s’agit d’un moyen de mesure complètement indépendant qui, nous l’espérons, pourra clarifier la véritable valeur de la constante de Hubble”, a déclaré Mooley.

Cependant, il y a une torsion. L’intensité des ondes gravitationnelles varie avec leur orientation par rapport au plan orbital des deux étoiles à neutrons. Les ondes gravitationnelles sont plus fortes dans la direction perpendiculaire au plan orbital, et plus faibles si le plan orbital est bord-sur comme vu de la Terre.

« Pour utiliser les ondes gravitationnelles pour mesurer la distance, nous devions connaître cette orientation”, a déclaré Adam Deller, de l’Université de technologie de Swinburne en Australie.

Pendant plusieurs mois, les astronomes ont utilisé les radiotélescopes pour mesurer le mouvement d’un jet ultra-rapide de matériau éjecté de l’explosion. ”Nous avons utilisé ces mesures ainsi que des simulations hydrodynamiques détaillées pour déterminer l’angle d’orientation, permettant ainsi d’utiliser les ondes gravitationnelles pour déterminer la distance », a déclaré Ehud Nakar de l’Université de Tel Aviv.

Cette mesure unique, d’un événement à quelque 130 millions d’années-lumière de la Terre, n’est pas encore suffisante pour résoudre l’incertitude, ont déclaré les scientifiques, mais la technique peut maintenant être appliquée aux futures fusions d’étoiles à neutrons détectées avec des ondes gravitationnelles.

« Nous pensons que 15 autres événements de ce type qui peuvent être observés à la fois avec des ondes gravitationnelles et en détail avec des radiotélescopes pourraient résoudre le problème”, a déclaré Kenta Hotokezaka, de l’Université de Princeton. « Ce serait une avancée importante dans notre compréhension de l’un des aspects les plus importants de l’Univers”, a-t-il ajouté.

L’équipe scientifique internationale dirigée par Hotokezaka publie ses résultats dans la revue Nature Astronomy.

Référence: « Une mesure de la constante de Hubble à partir du mouvement superluminal du jet dans GW170817” par K. Hotokezaka, E. Nakar, O. Gottlieb, S. Nissanke, K. Masuda, G. Hallinan, K. P. Mooley et A. T. Deller, 8 juillet 2019, Astronomie de la nature.
DOI: 10.1038 / l41550-019-0820-1

L’Observatoire National de radioastronomie est une installation de la National Science Foundation, exploitée sous accord de coopération par Associated Universities, Inc.