Tous se sont réjouis à juste titre de
la dernière découverte dans le domaine des ondes gravitationnelles. L'Observatoire LIGO, auquel son partenaire européen VIRGO a récemment rejoint, avait précédemment observé des vagues gravitationnelles de trous noirs en fusion. Ce qui est très cool, mais a aussi l'air assez solitaire - les trous noirs sont noirs, donc nous ne pouvons y observer que des ondes gravitationnelles, et pas grand-chose d'autre. Étant donné que nos observatoires actuels de détection des ondes gravitationnelles ne sont pas très bons pour déterminer l'emplacement d'une source dans le ciel, nous n'avons même pas pu dire dans quelle galaxie, par exemple, un événement enregistré s'est produit.
Mais tout a changé après le début de l'ère de l'astronomie, capable de détecter immédiatement le rayonnement gravitationnel et électromagnétique d'une seule source. L'événement détecté était la fusion de deux étoiles à neutrons, pas de trous noirs, et toute cette matière, convergeant ensemble dans une collision géante, a inondé le ciel avec le rayonnement de plusieurs longueurs d'onde simultanément.
Il suffit de regarder tous ces différents observatoires, toutes ces longueurs d'onde de rayonnement électromagnétique! Radio, infrarouge, optique, ultraviolet, rayons X, gamma - c'est le spectre complet d'un point de vue astronomique.
De nombreuses réalisations scientifiques avancées découleront de cet événement - voir, par exemple,
ce travail . Certaines personnes sont très excitées par le fait que cet événement a généré une énorme quantité d'or, plusieurs fois plus grande que la Terre en masse. Mais c'est mon blog, je vais donc couvrir un aspect de cet événement qui me concerne: l'utilisation de «sirènes standard» pour mesurer l'expansion de l'univers.
Nous sommes déjà assez bons pour mesurer l'expansion de l'univers en utilisant
l'échelle de distance en astronomie . Dans ce document, les distances sont mesurées progressivement, étape par étape, d'abord en déterminant les distances jusqu'aux étoiles les plus proches, puis en passant par des amas plus éloignés, etc. Cela fonctionne bien, mais, bien sûr, est susceptible d'accumuler des erreurs dans le processus. Un nouveau type d'observation des ondes gravitationnelles nous donne autre chose, vous permettant de sauter sur toute cette échelle de distances et d'obtenir une
mesure indépendante de la distance aux objets cosmologiques.
L'observation simultanée des ondes gravitationnelles et électromagnétiques est un élément essentiel de l'idée. Vous essayez de comparer deux choses: la distance à l'objet et la vitesse apparente avec laquelle il s'éloigne de vous. Habituellement, tout est simple avec la vitesse: vous mesurez le décalage vers le rouge de la lumière, ce qui est facile à faire avec le spectre électromagnétique de l'objet. Mais n'ayant que des ondes gravitationnelles, cela ne peut pas être fait - il n'y a pas assez de structure dans le spectre pour mesurer le décalage vers le rouge. Par conséquent, l'explosion des étoiles à neutrons était si importante pour nous; dans le cas du GW170817, pour la première fois, nous avons pu déterminer le décalage vers le rouge exact d'une source éloignée d'ondes gravitationnelles.
Mesurer les distances est un moment difficile, et ici les ondes gravitationnelles nous offrent une nouvelle technique. La stratégie généralement acceptée est de définir des «bougies standard», c'est-à-dire des objets dont la luminosité intrinsèque vous permet de tirer des conclusions raisonnables. En le comparant à la luminosité observée, vous pouvez calculer la distance. Par exemple, les astronomes ont utilisé des supernovae de type Ia pour découvrir l'expansion accélérée de l'univers.
Les ondes gravitationnelles ne fournissent pas de bougies standard - chacun des objets aura sa propre "luminosité" gravitationnelle interne (la quantité d'énergie rayonnée). Mais en étudiant l'évolution de la source lumineuse - la modulation linéaire caractéristique de la fréquence des ondes gravitationnelles de deux objets se déplaçant rapidement en spirale - on peut calculer leur luminosité globale. Voici le LFM pour le GW170817, par rapport à d'autres sources que nous avons découvertes - beaucoup plus de données, presque une minute entière!
Et maintenant, nous avons la distance et le décalage vers le rouge sans échelle de distance! C'est important pour tant de raisons. Une façon indépendante de mesurer les distances cosmiques, par exemple, nous permettra de mesurer les propriétés de la matière noire. Vous pourriez également entendre parler des différences entre les différentes façons de mesurer la constante de Hubble, ce qui signifie que soit quelqu'un fait une petite erreur, soit nous avons en quelque sorte très tort dans nos vues sur l'Univers. Obtenir un moyen indépendant de vérifier vos calculs nous aidera à comprendre cela. Ce n'est qu'à partir d'un seul événement que nous pouvons déjà conclure que la constante de Hubble est de 70 km / s / Mpc, bien qu'avec une erreur assez importante (+12, -8 km / s / Mpc). Mais la précision augmentera à mesure que des données supplémentaires seront collectées.
Et voici mon petit rôle dans cette histoire. L'idée d'utiliser des sources d'ondes gravitationnelles comme sirènes standard a été avancée par Bernard Schutz en 1986. Mais depuis lors, il a été sérieusement repensé, en particulier par mes amis Daniel Holtz et Scott Hughes. Daniel m'a parlé de cette idée il y a de nombreuses années, et lui et Scott ont écrit l'un des tout premiers ouvrages sur le sujet. J'ai immédiatement dit: «Il suffit d'appeler ces choses« sirènes standard ». Une appellation utile est donc née.
Malheureusement, mon collègue Caltech, Sterl Finney, m'a proposé le même nom en même temps que celui indiqué dans les sections de remerciements. Mais ce n'est rien; quand la contribution est si faible, il n'est pas dommage de la diviser.
Mais les mérites des physiciens et des astronomes qui ont pu faire cette observation, et de nombreux autres qui ont contribué à la compréhension théorique de la question, sont vraiment importants. Félicitations à tous les travailleurs acharnés qui ont découvert une nouvelle façon d'étudier l'univers.
Sean Michael Carroll est un cosmologiste américain spécialisé dans l'énergie sombre et la relativité générale.