Les collisions de trous noirs pourraient aider à estimer la vitesse d'expansion de l'univers

À quelle vitesse notre univers s'étend-il ?

La constante de Hubble est l'un des nombres les plus critiques de la cosmologie car elle nous indique à quelle vitesse l'univers s'étend. Il existe différentes méthodes pour mesurer ce taux. Cependant, déterminer la précision de ce nombre est essentiel pour mieux comprendre des questions fondamentales telles que l'âge, l'histoire et la composition de l'univers.

La nouvelle étude de deux Université de Chicago Les astrophysiciens proposent un moyen de faire ce calcul : en utilisant des paires de trous noirs en collision et en comprenant ainsi évolution de l'univers, de quoi il est fait et où il va.

Selon les scientifiques, la nouvelle technique surnommée une «sirène spectrale» pourrait offrir des informations sur les années «d'adolescence» autrement insaisissables de l'univers.

Parfois, deux trous noirs entrent en collision. Cet événement est si puissant qu'il crée un ondulation spatio-temporelle qui parcourt l'univers. Ces ondulations sont également appelées ondes gravitationnelles.

L'observatoire américain d'interféromètre laser à ondes gravitationnelles (LIGO) et l'observatoire italien Virgo peuvent capter ces ondulations ici sur Terre. Au cours des dernières années, LIGO et Virgo ont collecté les lectures de près de 100 paires de collision de trous noirs.

Le signal de chaque collision contient des informations sur à quel point les trous noirs étaient massifs. Mais le signal a voyagé à travers l'espace, et pendant ce temps, l'univers s'est étendu, ce qui modifie les propriétés du signal.

L'astrophysicien de UChicago Daniel Holz, l'un des deux auteurs de l'article, a déclaré : "Par exemple, si vous preniez un trou noir et que vous le placiez plus tôt dans l'univers, le signal changerait et cela ressemblerait à un trou noir plus gros qu'il ne l'est."

Déterminer un moyen d'estimer comment ce signal a changé pourrait aider les scientifiques à calculer le taux d'expansion de l'univers. Cependant, le problème est le calibrage : comment savent-ils à quel point il a changé par rapport à l'original ?

Dans cette nouvelle étude, les scientifiques suggèrent qu'ils peuvent utiliser les nouvelles connaissances sur l'ensemble de la population de trous noirs comme outil d'étalonnage. Par exemple, les preuves actuelles indiquent que la plupart des trous noirs détectés ont entre cinq et 40 fois la masse de notre soleil.

Le premier auteur Jose María Ezquiaga, boursier postdoctoral Einstein de la NASA et boursier de l'Institut Kavli de physique cosmologique travaillant avec Holz à UChicago, a déclaré: «Nous mesurons donc les masses des trous noirs à proximité et comprenons leurs caractéristiques, puis nous regardons plus loin et voyons à quel point ces autres trous semblent s'être déplacés. Et cela vous donne une mesure de l'expansion de l'univers.

Les scientifiques sont ravis parce qu'à l'avenir, à mesure que les capacités de LIGO se développeront, la méthode pourrait fournir une fenêtre unique sur les années « adolescentes » de l'univers – il y a environ 10 milliards d'années – qui sont difficiles à étudier avec d'autres méthodes.

Les auteurs ont noté, « L'autre avantage de cette méthode est que les lacunes dans nos connaissances scientifiques créent moins d'incertitudes. La méthode peut se calibrer en utilisant la totalité population de trous noirs, identifiant et corrigeant directement les erreurs. Les autres méthodes utilisées pour calculer la constante de Hubble reposent sur notre compréhension actuelle de la physique des étoiles et des galaxies, qui implique beaucoup de physique et d'astrophysique compliquées. Cela signifie que les mesures pourraient être un peu faussées s'il y a quelque chose que nous ne savons pas encore.

"En revanche, cette nouvelle méthode de trou noir repose presque uniquement sur La théorie de la gravité d'Einstein, qui est bien étudié et a résisté à toutes les façons dont les scientifiques ont essayé de le tester jusqu'à présent.

Bois a affirmé Valérie Plante., "Plus ils auront de lectures de tous les trous noirs, plus cet étalonnage sera précis. Nous avons besoin de préférence de milliers de ces signaux, que nous devrions avoir dans quelques années, et encore plus dans la prochaine décennie ou deux. À ce stade, ce serait une méthode incroyablement puissante pour en savoir plus sur l'univers.

Journal de référence:

1. José María Ezquiaga et Daniel E. Holz. Sirènes spectrales : cosmologie à partir de la distribution de masse complète des binaires compacts. Phys. Rév. Lett. 129, 061102 – Publié le 3er août 2022. DOI : 10.1103 / PhysRevLett.129.061102