Un vieux phare, à l'entrée du port, clignote avec la régularité d'un mouvement d'horlogerie. Toutes les quelques heures, sa lampe s'allume puis s'éteint ; les marins reconnaissent ce rythme de loin et, à la force de la lumière, devinent où se trouve la côte. Les étoiles de type RR Lyrae se comportent de façon semblable : elles pulsent avec une période allant de quelques heures à une journée, et leur éclat varie de plusieurs dizaines de pour cent. Les astronomes utilisent depuis longtemps ces étoiles comme « chandelles standard », c'est-à-dire des objets dont la luminosité réelle est connue, pour mesurer la distance des amas lointains. Mais cette méthode a un point faible : pour calculer la luminosité réelle, il faut connaître la composition chimique de l'étoile, et celle-ci n'est pas toujours déterminée avec précision.
Le nouveau travail propose de contourner cette étape. Plutôt que de mesurer la composition chimique, les chercheurs ont appris à un réseau de neurones à examiner la courbe de lumière elle-même, c'est-à-dire le graphique qui montre comment l'éclat de l'étoile varie au fil du temps. Le réseau agit comme un musicien chevronné qui, au rythme et au timbre des pulsations, détermine la puissance sonore de l'instrument sans même l'approcher. Pour l'entraînement, on a pris environ 80 000 courbes de lumière du catalogue Gaia DR3 : 63 000 étoiles d'un type de pulsations et 16 000 d'un autre. Chaque courbe a été soigneusement repliée en phase, alignée et normalisée, afin que le réseau ne voie que la forme des pulsations, et non des différences fortuites de luminosité.
Le résultat s'est révélé plus précis que les méthodes antérieures. Pour les étoiles isolées, l'erreur sur la distance a atteint environ 2,5 % pour un type de pulsations et 1,7 % pour l'autre. Lorsque la méthode a été appliquée aux amas globulaires, ces groupes denses de centaines de milliers de vieilles étoiles, la précision est montée à 1 %. C'est 1,8 fois mieux que ce que donnent les calculs traditionnels fondés sur la composition chimique. Le réseau de neurones a aussi déterminé la distance du Grand Nuage de Magellan, galaxie naine voisine, avec une incertitude inférieure à 0,02 magnitude, ce qui concorde avec les mesures antérieures.
Pourquoi est-ce important ? Les distances aux étoiles sont à la base de toute l'échelle des distances dans l'Univers. C'est d'elles que dépend la valeur de la constante de Hubble, qui décrit la vitesse d'expansion du cosmos. Aujourd'hui, les mesures locales de cette constante divergent des calculs fondés sur le rayonnement fossile, et cet écart porte le nom de « tension de Hubble ». La nouvelle méthode offre un moyen indépendant de vérifier l'échelle des distances, sans s'appuyer sur des hypothèses concernant la composition chimique des étoiles. Dans les années à venir, des télescopes comme LSST découvriront des millions de nouvelles étoiles variables, et un tel réseau de neurones pourra transformer rapidement leurs courbes de lumière en carte de la Galaxie.
Ce fameux phare, à l'entrée du port, on peut désormais le « lire » sans manuel de chimie de sa lampe. Il suffit d'écouter le rythme des éclats, et le réseau de neurones dira à quelle distance se trouve la côte. C'est là que réside le changement : autrefois, les astronomes mesuraient la composition pour calculer la luminosité ; aujourd'hui, la forme même des pulsations livre la luminosité directement. L'erreur qui s'accumulait à l'étape intermédiaire a disparu, et les vieilles étoiles parlent plus clairement.
Les étoiles de type RR Lyrae pulsent avec des périodes allant de 0,2 à 1,2 jour, et leur éclat varie de 0,2 à 2 magnitudes. Dans les amas globulaires, elles sont si nombreuses qu'on les surnomme les « phares des systèmes vieux et pauvres ».
Dans le roman d'Isaac Asimov « Les Dieux eux-mêmes », une civilisation extraterrestre utilise des sources d'énergie pulsantes pour communiquer entre les étoiles. Nos RR Lyrae sont des pulsars naturels du domaine optique, et leur rythme peut réellement être converti en code de distance.