Les scientifiques pensent pouvoir comprendre à quel point l’univers est en expansion en utilisant une règle étrange : les trous noirs.
Des astrophysiciens de l’Université de Chicago ont développé une nouvelle méthode qui utilise des trous noirs en collision pour mesurer la vitesse de croissance de notre univers.
Le taux d’expansion – connu sous le nom de constante de Hubble – fait l’objet de débats depuis 1929, date à laquelle il a été découvert par Edwin Hubble. Cependant, les scientifiques mesurent et calculent la croissance depuis près d’un siècle, car la constante ne correspond pas aux observations réelles.
La physique fondamentale de l’univers suggère que l’univers devrait s’étendre de 68 kilomètres par seconde en mesurant une galaxie située à un mégaparsec de la Terre – mais malheureusement, cela ne correspond pas aux observations des étoiles réelles, qui semblent se déplacer à un rythme beaucoup plus rapide et implique que nous ne comprenons pas une partie importante de notre univers.
C’est pourquoi les scientifiques sont désireux de trouver de nouveaux moyens de mesurer le taux d’expansion. Ce nouveau test utilise des trous noirs qui fusionnent entre eux, un événement si puissant qu’il crée une ondulation dans l’espace-temps qui se propage à travers l’univers. Ces ondulations – également appelées ondes gravitationnelles – peuvent être mesurées sur Terre à l’aide de technologies telles que l’observatoire d’ondes gravitationnelles LIGO (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory) ou l’observatoire Virgo.
En utilisant les mesures de plus de 100 paires de trous noirs entrant en collision, les scientifiques peuvent voir comment les ondes changent au cours de leur voyage. “Si l’on prenait un trou noir et qu’on le plaçait plus tôt dans l’univers, le signal changerait et il ressemblerait à un trou noir plus grand qu’il ne l’est réellement”, a déclaré Daniel Holz, astrophysicien à l’université de Chicago.
Le défi consiste alors à calculer le taux d’expansion à partir du signal original, mais les données actuelles suggèrent que la plupart des trous noirs détectés ont une masse comprise entre cinq et 40 fois celle de notre Soleil.
“Nous mesurons donc les masses des trous noirs proches et comprenons leurs caractéristiques, puis nous regardons plus loin et voyons de combien ces plus lointains semblent s’être déplacés”, explique Jose María Ezquiaga, postdoctorant Einstein de la Nasa et membre de l’Institut Kavli de physique cosmologique qui travaille également sur ce problème. “Cela vous donne une mesure de l’expansion de l’univers”.
Avec plus de travail, cette méthode pourrait aider les scientifiques à découvrir plus d’informations sur l’univers lorsqu’il n’avait que 10 milliards d’années – une période difficile à étudier avec d’autres méthodes.
“C’est à cette époque que la matière noire est passée du statut de force prédominante dans l’univers à celui d’énergie noire, et nous sommes très intéressés par l’étude de cette transition critique”, a déclaré le Dr Ezquiaga.
L’autre avantage de cette méthode, selon les auteurs, est qu’il y a moins d’incertitudes créées par les lacunes de nos connaissances scientifiques.
“En utilisant l’ensemble de la population des trous noirs, la méthode peut se calibrer elle-même, en identifiant et en corrigeant directement les erreurs”, a déclaré le Dr Holz. D’autres méthodes reposent sur notre compréhension actuelle de la physique des étoiles et des galaxies, mais s’il existe des aspects de l’univers que nous ne comprenons pas, cela pourrait avoir un impact important sur les mesures. Cette méthode, en revanche, s’appuie presque entièrement sur la théorie de la gravité d’Einstein, qui est plus cohérente.
Plus les données sur les trous noirs seront nombreuses, plus les calculs futurs seront précis. “Nous avons besoin de préférence de milliers de ces signaux, ce que nous devrions avoir dans quelques années, et encore plus dans les dix ou deux prochaines années”, a déclaré le Dr Holz. “A ce moment-là, ce serait une méthode incroyablement puissante pour en savoir plus sur l’univers”.
La recherche, intitulée “Spectral sirens : cosmology from the full mass distribution of compact binaries”, est publiée dans Physical Review Letters.
