Les ondes gravitationnelles ne voyagent pas dans l’espace et dans le temps. Ce sont des ondulations dans le tissu de l’espace-temps lui-même. C’est pourquoi ils sont si difficiles à détecter. Nous ne pouvons les observer qu’en observant de près comment les objets se plient et s’étirent dans l’espace-temps. Mais malgré leur étrangeté, les ondes gravitationnelles se comportent de la même manière que la lumière, et les astronomes peuvent utiliser ce fait pour étudier l’expansion cosmique.
Comme pour la lumière, les ondes gravitationnelles ondulent à une vitesse finie constante. La même vitesse que la lumière. Ainsi, les ondes gravitationnelles sont affectées par des déformations gravitationnelles à grande échelle, tout comme la lumière. Les ondes gravitationnelles peuvent être déviées lorsqu’elles passent près d’une galaxie ou d’une étoile massive, et peuvent être lentilles gravitationnellement comme la lumière. La différence est que, contrairement à la lumière, les ondes gravitationnelles ne sont ni absorbées ni diffusées par la matière. Ils ne sont affectés que par la structure gravitationnelle de l’espace-temps. Cela signifie que nous devrions être capables de voir les ondes gravitationnelles à lentille encore plus clairement que les ondes lumineuses à lentille.
C’est l’idée derrière une nouvelle étude en Lettres d’examen physique. L’article commence par noter que lorsque la troisième génération d’observatoires d’ondes gravitationnelles sera mise en ligne, les astronomes seront en mesure de détecter des centaines de fusions de trous noirs et d’étoiles à neutrons dans des galaxies lointaines. D’après ce que nous savons des observations optiques, environ 1% de ces fusions seront gravitationnellement lentilles par une galaxie plus proche entre nous et la fusion. Étant donné que cela amplifie la force des ondes lumineuses et gravitationnelles, les événements à lentille permettent aux astronomes de voir plus profondément dans l’univers qu’ils ne le feraient autrement.
Ces événements d’ondes gravitationnelles lentilles pourraient ensuite être utilisés pour mesurer le taux d’expansion cosmique. Il existe plusieurs façons de mesurer l’expansion cosmique, des supernovae aux masers astrophysiques, mais l’un des grands mystères de la cosmologie est que ces différentes méthodes donnent parfois des résultats contradictoires. C’est ce qu’on appelle la tension de Hubble, et cela signifie que même si nous savons à quelle vitesse l’univers s’étend, nous ne pouvons pas le déterminer avec précision.
Les auteurs notent que les fusions de trous noirs pourraient être utilisées pour mesurer l’expansion cosmique. L’énergie libérée par les fusions de trous noirs dépend des masses initiales des trous noirs et de la vitesse de leur fusion. Puisque ces propriétés peuvent être mesurées par un observatoire gravitationnel, elles peuvent servir de « bougie standard » pour la mesure de distance. Si vous savez à quel point un événement est réellement lumineux, vous pouvez le comparer à la luminosité qui vous apparaît pour calculer la distance. Les événements de fusion Lensed vont encore plus loin. Étant donné que la lentille peut nous donner plusieurs vues de l’événement dans des directions légèrement différentes, cela permettrait aux astronomes de mesurer très précisément la distance et l’énergie des événements, leur permettant ainsi de déterminer le taux d’expansion cosmique.
Parce que cette méthode ne dépendrait que des ondulations de l’espace-temps à lentille gravitationnelle dans l’espace-temps, ce serait une mesure directe de la structure cosmique et une mesure directe de l’expansion cosmique. Il a le potentiel de résoudre le problème de tension de Hubble pour la cosmologie.
Référence: Jana, Souvik et al. “Cosmographie utilisant des ondes gravitationnelles fortement lentilles provenant de trous noirs binaires.” Lettres d’examen physique 130.26 (2023): 261401.
