Les collisions de trous noirs nous diront à quelle vitesse l'univers est en expansion ✛
Prédites par Albert Einstein, les ondes gravitationnelles sont des ondulations de l'espace qui surviennent lors de la collision de trous noirs. Des détecteurs sur Terre captent ces signaux et déterminent la distance jusqu'à l'accident cosmique. Mais pour calculer la vitesse d'expansion de l'univers, il faut un autre indice : à quelle vitesse la source s'éloigne-t-elle ? Il y a près d'un siècle, Edwin Hubble et Georges Lemaître ont découvert que les galaxies s'éloignent les unes des autres, et plus elles sont loin, plus leur vitesse est grande. Ce mouvement se mesure par le décalage vers le rouge de la lumière — dans un espace en expansion, les ondes lumineuses s'étirent, perdant de l'énergie. Le problème, c'est que la plupart des fusions de trous noirs sont invisibles pour les télescopes. On appelle ces sources des sirènes sombres : on entend le son, mais on ne voit pas la lumière.
Pour capturer néanmoins la vitesse de fuite, les scientifiques recherchent les galaxies situées dans la même région du ciel d'où provient l'onde. Toutes ces cités stellaires sont des suspectes. Grâce à la spectroscopie (décomposition de la lumière en couleurs), on mesure leur décalage vers le rouge. Ensuite, la méthode d'inférence bayésienne (qui prend en compte toutes les données disponibles et recalcule les probabilités) trouve la valeur la plus plausible de la vitesse d'expansion. L'incertitude se transforme en précision.
Une nouvelle simulation numérique a montré que dix sirènes sombres bien localisées dans le ciel suffisent. Ensuite, une seule nuit sur un puissant télescope de relevé (comme DESI) permet de mesurer les spectres de centaines de galaxies candidates dans le petit carré de ciel voulu. Après traitement mathématique, la précision atteint environ un pour cent. Quatre heures de temps d'observation, et un débat de dix ans est résolu.
Une telle précision ne fait pas que combler l'écart entre les mesures du Fond diffus cosmologique et celles des supernovæ. Elle permet aussi de vérifier si la loi de gravité modifiée change à très grande échelle et comment se comporte la mystérieuse énergie noire. Les futurs détecteurs d'ondes gravitationnelles effectueront des milliers de telles mesures, et l'océan cosmique deviendra transparent pour la science.
Environ 20% des signaux les plus précis proviennent de directions où la poussière épaisse de la Voie lactée cache les galaxies — il faudra y scruter plus longtemps.