Les physiciens ont identifié une méthode potentiellement révolutionnaire pour mesurer le taux d’expansion de l’univers, un casse-tête cosmologique de longue date, utilisant les ondulations subtiles de l’espace-temps connues sous le nom d’ondes gravitationnelles. La nouvelle approche exploite le signal collectif provenant d’innombrables trous noirs fusionnant à travers le cosmos – un léger « bourdonnement » de gravité – pour évaluer de manière indépendante la rapidité avec laquelle l’espace s’étend. Même sans détecter directement cet arrière-plan, les chercheurs ont déjà utilisé les données actuelles pour affiner les contraintes sur la constante de Hubble, la valeur représentant la vitesse d’expansion de l’univers.
La tension de Hubble : un problème central en cosmologie
Le taux d’expansion de l’univers est une grandeur fondamentale, mais sa valeur précise est devenue un point de discorde majeur. Les mesures dérivées des observations du premier univers (comme le fond cosmique des micro-ondes, la rémanence du Big Bang) sont systématiquement en désaccord avec celles des objets proches (comme les supernovas). Cet écart, surnommé la tension de Hubble, est statistiquement significatif, suggérant soit des erreurs non identifiées dans les méthodes existantes soit la nécessité d’une physique fondamentalement nouvelle.
Comme l’explique Chiara Mingarelli, physicienne à Yale, “les mesures du taux d’expansion au début et à la fin de l’Univers sont en désaccord à plus de 5 sigma… Soit il y a une erreur systématique non identifiée, soit une nouvelle physique.” L’incapacité de concilier ces valeurs soulève des questions cruciales sur notre compréhension de l’énergie noire, de la matière noire et de la structure globale de l’univers.
Utiliser les fusions de trous noirs comme règles cosmiques
La nouvelle étude, acceptée pour publication dans Physical Review Letters, propose une nouvelle méthode entièrement basée sur les ondes gravitationnelles. Depuis 2015, des observatoires comme LIGO et Virgo ont détecté des dizaines de fusions de trous noirs, chaque événement fournissant des informations sur les masses et les distances des corps en collision. En analysant les taux auxquels ces fusions se produisent à travers l’univers, les scientifiques peuvent déduire les propriétés du fond d’ondes gravitationnelles, le signal combiné d’événements trop éloignés pour être résolus individuellement.
Selon l’auteur principal Bryce Cousins, “Parce que nous observons des collisions individuelles de trous noirs, nous pouvons déterminer les taux de ces collisions qui se produisent dans l’univers.” La force globale de ce signal de fond dépend directement du taux d’expansion ; une expansion plus lente implique des volumes plus importants et davantage de fusions, ce qui se traduit par un contexte plus solide.
Implications et perspectives d’avenir
L’équipe de recherche a démontré que la non-détection actuelle du fond d’ondes gravitationnelles exclut déjà certaines valeurs inférieures de la constante de Hubble. Même si les contraintes actuelles sont encore larges, cette méthode établit un nouveau cadre indépendant pour l’inférence cosmologique. Cette approche complète les techniques existantes de « sirène standard » (utilisant des événements d’ondes gravitationnelles individuelles comme marqueurs de distance) en exploitant l’ensemble de la population non résolue de collisions de trous noirs.
Daniel Holz, professeur à l’Université de Chicago, souligne l’importance de cette découverte : “Ce n’est pas tous les jours qu’on propose un outil entièrement nouveau pour la cosmologie.” Les mises à niveau prévues des détecteurs d’ondes gravitationnelles devraient permettre une détection directe du fond d’ici quelques années, transformant ainsi cette limite inférieure en une mesure précise.
En fin de compte, cette méthode des sirènes stochastiques pourrait devenir un nouvel outil puissant pour sonder l’histoire de l’expansion de l’univers et déterminer si la tension de Hubble représente un défaut fondamental de nos modèles ou simplement des erreurs systématiques cachées.
Cette nouvelle technique offre une vérification indépendante vitale des mesures cosmologiques existantes et pourrait à terme aider à résoudre l’un des mystères les plus urgents de la physique moderne.
