Les collisions d’étoiles à neutrons mettent en lumière l’expansion de l’univers

L’Institut Niels Bohr propose d’utiliser les kilonovas (explosions résultant de la fusion d’étoiles à neutrons) pour remédier aux écarts dans la mesure du taux d’expansion de l’univers. Les premiers résultats sont prometteurs, mais davantage de cas sont nécessaires pour les valider.

Ces dernières années, l’astronomie s’est trouvée en crise : même si nous savons que l’univers est en expansion et même si nous savons à peu près à quelle vitesse il va, les deux méthodes fondamentales de mesure de cette expansion ne concordent pas. Les astrophysiciens de l’Institut Niels Bohr proposent désormais une nouvelle méthode qui pourrait aider à résoudre cette tension.

L’univers est en expansion

Nous le savons depuis qu’Edwin Hubble et d’autres astronomes ont mesuré, il y a environ 100 ans, la vitesse d’un certain nombre de galaxies environnantes. Les galaxies de l’univers sont « écartées » par cette expansion et s’éloignent donc les unes des autres.

Plus la distance entre deux galaxies est grande, plus elles s’éloignent rapidement, et la vitesse précise de ce mouvement est l’une des quantités les plus fondamentales de la cosmologie moderne. Le nombre qui décrit l’expansion est appelé constante de Hubble et apparaît dans de nombreuses équations et modèles différents de l’univers et de ses composants.

Les galaxies sont plus ou moins stationnaires dans l’espace, mais l’espace lui-même est en expansion. Cela amène les galaxies à s’éloigner les unes des autres à un rythme toujours croissant. Cependant, la vitesse exacte reste un peu un mystère. Crédit : ISO/L. Calada. Les galaxies sont plus ou moins stationnaires dans l’espace, mais l’espace lui-même est en expansion. Cela amène les galaxies à s’éloigner les unes des autres à un rythme toujours croissant. Cependant, la vitesse exacte reste un peu un mystère. Crédit : ISO/L. Calada

Problème de Hubble

Pour comprendre l’univers, nous devons connaître la constante de Hubble le plus précisément possible. Il existe plusieurs façons de le mesurer ; Les méthodes sont indépendantes les unes des autres mais donnent heureusement presque le même résultat.

Autrement dit, c’est presque…

La manière intuitive la plus simple de comprendre, en principe, est la même méthode utilisée par Edwin Hubble et ses collègues il y a un siècle : localiser un groupe de galaxies et mesurer leurs distances et leurs vitesses. En pratique, cela se fait en recherchant des galaxies avec des étoiles qui explosent, ou ce qu’on appelle Supernovae. Cette méthode est complétée par une autre méthode qui analyse les irrégularités dans ce que l’on appelle Rayonnement de fond cosmique; Une forme ancienne de lumière remontant peu de temps après le Big Bang.

Les deux méthodes – la méthode des supernovas et la méthode du rayonnement de fond – ont toujours donné des résultats légèrement différents. Mais toute mesure comporte des incertitudes, et il y a quelques années, les incertitudes étaient suffisamment grandes pour que l’on puisse attribuer la responsabilité à ces disparités.

L’hémisphère gauche montre le reste en expansion de la supernova découverte par Tycho Brahe en 1572, vu ici en rayons X (source : NASA/CXC/Rutgers/J.Warren & J.Hughes et al.). À droite, une carte du rayonnement de fond cosmique émanant de la moitié du ciel, observé dans les micro-ondes. Crédit : Équipe scientifique NASA/WMAP

Cependant, à mesure que les techniques de mesure se sont améliorées, les incertitudes ont diminué et nous avons désormais atteint un point où nous pouvons affirmer avec un degré élevé de confiance qu’aucune des deux ne peut être vraie.

La racine de ce « problème de Hubble » – savoir si des effets inconnus faussent systématiquement l’un des résultats ou si cela pointe vers une nouvelle physique qui n’a pas encore été découverte – est actuellement l’un des sujets les plus brûlants de l’astronomie.

Le paradoxe persistant de Hubble

L’expansion de l’univers se mesure en « vitesse par distance », soit un peu plus de 20 kilomètres par seconde par million d’années-lumière. Cela signifie qu’une galaxie située à 100 millions d’années-lumière s’éloigne de nous à une vitesse de 2 000 km/s, tandis qu’une autre galaxie située à 200 millions d’années-lumière s’éloigne de nous à une vitesse de 4 000 km/s.

Cependant, l’utilisation de supernovae pour mesurer les distances et les vitesses des galaxies donne 22,7 ± 0,4 km/s, tandis que l’analyse du rayonnement de fond cosmique donne 20,7 ± 0,2 km/s.

Prêter attention à un désaccord aussi mineur peut sembler ennuyeux, mais cela peut être très important. Par exemple, ce nombre apparaît dans le calcul de l’âge de l’univers, et les deux méthodes produisent respectivement un âge de 12,8 et 13,8 milliards d’années.

Kilonova : une nouvelle approche de la mesure

L’un des plus grands défis consiste à déterminer avec précision les distances des galaxies. Mais dans une nouvelle étude, Albert Snippen, doctorant en astrophysique au Centre for Cosmic Dawn de l’Institut Niels Bohr de Copenhague, propose une nouvelle façon de mesurer les distances, qui pourrait aider à régler le différend en cours.

« Lorsque deux étoiles à neutrons extrêmement compactes – elles-mêmes des restes de supernova – tournent autour l’une de l’autre et finissent par fusionner, elles explosent dans une nouvelle explosion; c’est ce qu’on appelle une kilonova », explique Albert Snepen. « Nous avons récemment montré à quel point cette explosion est remarquablement symétrique, et elle Il s’avère que « Cette symétrie n’est pas seulement belle, elle est aussi incroyablement utile ».

dans Troisième étude Tout juste publié, le prolifique doctorant démontre que les kilonovas, bien que complexes, peuvent être décrites avec une seule température. Il s’avère que la symétrie et la simplicité de la kilonova permettent aux astronomes de déduire exactement la quantité de lumière qu’elle émet.

En comparant cette luminosité à la quantité de lumière atteignant la Terre, les chercheurs peuvent calculer à quelle distance se trouve la kilonova. Ils ont ainsi obtenu une nouvelle méthode indépendante pour calculer la distance aux galaxies contenant des kilonovas.

Darach Watson est professeur agrégé au Cosmic Dawn Center et co-auteur de l’étude. « Les supernovae, qui ont été utilisées jusqu’à présent pour mesurer les distances entre les galaxies, n’émettent pas toujours la même quantité de lumière », explique-t-il. « De plus, elles nécessitent d’abord de calibrer la distance à l’aide d’un autre type d’étoile, appelées étoiles céphéides, qui, à son tour, doit également être calibrée. » Grâce aux kilonovas, nous pouvons éviter ces complications qui entraînent une incertitude dans les mesures.

Résultats préliminaires et étapes futures

Pour prouver son potentiel, les astrophysiciens ont appliqué cette méthode à une kilonova découverte en 2017. Le résultat est une constante de Hubble plus proche de la méthode du rayonnement de fond, mais si la méthode kilonova est capable de résoudre le problème de Hubble, les chercheurs n’osent pas encore dire :

«Nous n’avons jusqu’à présent qu’une seule étude de cas et nous avons besoin de plus d’exemples avant de pouvoir tirer une conclusion solide», prévient Albert Sneben. « Mais notre méthode contourne au moins certaines sources d’incertitude connues et constitue un système très « propre » à étudier. Elle ne nécessite aucun facteur d’étalonnage ou de correction. « 

Référence : « Mesure de la constante de Hubble en kilonovates à l’aide de la méthode de la photosphère en expansion » par Albert Snepen, Darach Watson, Dovi Poznanski, Oliver Gast, Andreas Bauszyn et Radoslaw Wojtak, 2 octobre 2023, Astronomie et astrophysique.
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