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First measurement of the Hubble constant from gravitational wave-galaxy cross-correlations

Cet article présente la première mesure de la constante de Hubble ( $H_0 = 67^{+18}_{-15}$ km s $^{-1}$ Mpc $^{-1}$ ) et une contrainte sur le biais des ondes gravitationnelles en détectant un pic de corrélation croisée entre les événements d'ondes gravitationnelles et les distributions de galaxies en utilisant la méthode des « Peak Sirens ».

Auteurs originaux : Isabela Santiago de Matos, Charles Dalang, Tessa Baker, Raul Abramo, João Ferri, Miguel Quartin

Publié 2026-08-18

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CC BY 4.0

Auteurs originaux : Isabela Santiago de Matos, Charles Dalang, Tessa Baker, Raul Abramo, João Ferri, Miguel Quartin

Article original sous licence CC BY 4.0 (http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). ✨ Ceci est une explication générée par l'IA de l'article ci-dessous. Elle n'a pas été rédigée ni approuvée par les auteurs. Pour une précision technique, consultez l'article original. Lire la clause de non-responsabilité complète

Depuis des décennies, les astronomes tentent de mesurer la vitesse à laquelle notre univers est en expansion, une valeur connue sous le nom de constante de Hubble. Ce nombre est fondamental pour comprendre l'âge, la taille et le destin ultime du cosmos. Pour le trouver, les scientifiques s'appuient traditionnellement sur deux principaux types de règles cosmiques : la lumière des étoiles en explosion et le faible rayonnement résiduel du Big Bang. Cependant, ces deux méthodes ont récemment commencé à diverger, créant une tension qui suggère que notre compréhension actuelle de la physique pourrait être incomplète. Au cours de la dernière décennie, un nouvel outil est apparu pour aider à résoudre ce puzzle : les ondes gravitationnelles. Il s'agit d'ondulations dans le tissu de l'espace-temps causées par des événements cosmiques violents, tels que la collision de trous noirs ou d'étoiles à neutrons. Contrairement à la lumière, qui peut être affaiblie ou dispersée par la poussière, les ondes gravitationnelles traversent l'univers presque sans être perturbées, transportant un enregistrement direct et précis de la distance de leur source. Le défi a toujours été que, si ces ondes nous indiquent exactement à quelle distance un événement s'est produit, elles ne révèlent pas la vitesse à laquelle cet événement s'éloigne de nous, une information habituellement trouvée en observant la couleur de la lumière de la galaxie hôte.

Une équipe de chercheurs a maintenant franchi une étape importante pour combler ce fossé en utilisant une nouvelle technique pour lier directement les ondes gravitationnelles aux galaxies qui les hébergent. Au lieu d'essayer de trouver la galaxie spécifique pour un événement unique, ce qui est souvent difficile lorsque la localisation de l'onde est floue, l'équipe a étudié la relation statistique entre de nombreux événements d'ondes gravitationnelles et la distribution de millions de galaxies à travers le ciel. Ils se sont concentrés sur deux détections spécifiques d'ondes gravitationnelles issues d'un catalogue récent d'observations : l'une provenant d'une collision impliquant un trou noir et un objet plus petit, et une autre provenant d'une célèbre collision de deux étoiles à neutrons qui a également été observée avec des télescopes. En comparant la carte tridimensionnelle de l'origine de ces ondes avec la carte de l'emplacement des galaxies, les chercheurs ont cherché un motif spécifique. Ils ont raisonné que si les ondes et les galaxies sont véritablement connectées, il devrait y avoir un pic distinct dans leur corrélation à la distance exacte où les décalages vers le rouge des galaxies correspondent aux distances des ondes. Cette méthode, qu'ils appellent « Peak Sirens » (sirènes de pic), leur permet de mesurer le taux d'expansion de l'univers sans avoir besoin de connaître le décalage vers le rouge précis de la galaxie hôte pour chaque événement.

L'équipe a détecté avec succès ce signal de corrélation avec un haut degré de confiance statistique, marquant la première fois que cette méthode spécifique est observée dans des données réelles. Le signal a été principalement généré par l'événement le mieux localisé de leur ensemble de données, une collision survenue à environ 255 millions d'années-lumière, avec une contribution plus faible de la collision plus proche d'étoiles à neutrons. En analysant la position de ce pic de corrélation, les chercheurs ont calculé une valeur pour la constante de Hubble de 67 kilomètres par seconde par mégaparsec, avec une incertitude allant de 52 à 85. Bien que cette mesure ne soit pas encore assez précise pour trancher le débat entre les différents taux d'expansion trouvés par d'autres méthodes, elle est cohérente avec les valeurs dérivées du fond diffus cosmique et d'autres études de sirènes sombres. Plus important encore, l'étude a démontré que cette technique fonctionne même avec un très petit nombre d'événements d'ondes gravitationnelles, prouvant que la méthode est viable pour de futures mesures plus précises à mesure que davantage de détecteurs seront opérationnels.

Au-delà de la mesure du taux d'expansion, ce travail a également fourni la première contrainte observationnelle sur une propriété appelée le biais gravitationnel. Ce nombre décrit la force avec laquelle les sources d'ondes gravitationnelles suivent la distribution sous-jacente de la matière dans l'univers. Les chercheurs ont découvert que ce biais est inférieur à 4,3, un résultat qui aide à affiner notre compréhension de l'endroit où ces collisions cosmiques violentes sont susceptibles de se produire par rapport aux galaxies que nous voyons. L'étude s'est appuyée sur un catalogue massif de galaxies et des simulations informatiques sophistiquées pour modéliser les motifs attendus, garantissant que le signal détecté n'était pas simplement un bruit aléatoire. Les auteurs ont noté que, bien que leurs données actuelles soient limitées par le petit nombre d'événements d'ondes gravitationnelles bien localisés disponibles, la technique est robuste et ne repose pas sur des hypothèses complexes concernant les masses des objets en collision. À mesure que davantage d'événements d'ondes gravitationnelles seront détectés dans les années à venir, cette méthode devrait devenir un nouveau moyen puissant de cartographier l'univers et de tester les lois de la gravité, offrant une perspective nouvelle sur l'un des mystères les plus persistants de la cosmologie moderne.

Résumé Technique : Première mesure de la constante de Hubble à partir des corrélations croisées entre ondes gravitationnelles et galaxies

Problématique et Motivation
Les observations d'ondes gravitationnelles (OG) issues de la coalescence de binaires compactes (CBC) fournissent des mesures directes de la distance de luminosité ( $D_L$ ) mais manquent d'informations sur le décalage vers le rouge intrinsèque ( $z$ ). La récupération du redshift est essentielle pour contraindre les paramètres cosmologiques, particulièrement la constante de Hubble ( $H_0$ ). Bien que les méthodes de « bright siren » (utilisant des contreparties électromagnétiques) et de « dark siren » (associant statistiquement les événements d'OG aux catalogues de galaxies sur la base des distributions de masse et des taux de fusion) soient établies, elles font face à des limitations concernant les dépendances de la modélisation astrophysique et la rareté des contreparties confirmées. Cet article répond au besoin d'une technique capable de contourner les étalonnages de distance externes et de minimiser la dépendance aux hypothèses sur la distribution de masse et le taux de fusion des CBC.

Méthodologie : La méthode des « Peak Sirens »
Les auteurs appliquent la méthode des « Peak Sirens », qui utilise la corrélation croisée angulaire en 3D entre les sources d'OG et les galaxies. Le principe physique central est que les sources d'OG résident dans des galaxies ; par conséquent, la corrélation spatiale entre les événements d'OG et les distributions de galaxies culmine lorsque les compartiments de redshift du catalogue de galaxies s'alignent avec les compartiments de distance de luminosité des sources d'OG.

La mise en œuvre technique implique :

Construction des données :
- Carte de galaxies : En utilisant le catalogue GLADE+ (bande K), les auteurs construisent une carte de comptage numérique pixélisée ( $N_g$ ) via HEALPix ($nside=32$). La direction radiale est décomposée en compartiments de redshift ( $z_i$ ), avec un partitionnement plus fin ( $\Delta z \approx 0,0033$ ) pour $z < 0,02$ afin de capturer les événements proches.
- Carte d'OG : En utilisant le catalogue GWTC-3.0, une carte de probabilité 3D ( $N_{gw}$ ) est construite en intégrant les distributions postérieures des événements d'OG sur les compartiments de distance de luminosité ( $D_{Lj}$ ).
Analyse du spectre croisé : Les auteurs calculent le spectre croisé angulaire $C_\ell(z_i, D_{Lj})$ entre les cartes de galaxies et d'OG. Contrairement aux approches classiques de dark siren, cette méthode ne repose pas sur des auto-corrélations ni sur des hypothions concernant la fonction de masse des CBC.
Modélisation théorique : Les spectres croisés théoriques sont modélisés à l'aide de simulations où des sources d'OG sont injectées aléatoirement dans des galaxies au sein d'une cosmologie de référence (Planck 2018). La méthode suppose un biais linéaire des OG ( $b_{gw}$ ) et modélise la position du pic dans le plan $(z, D_L)$ . La position du pic est sensible à $H_0$ , tandis que l'amplitude est sensible au biais des OG.
Inférence statistique : Une vraisemblance gaussienne est utilisée pour comparer les spectres croisés observés aux prédictions théoriques. L'analyse se concentre sur les paramètres dominants : $H_0$ et $b_{gw}$ .

Contributions clés et Résultats
L'article rapporte la première détection du signal de corrélation croisée OG-galaxie et la première mesure de $H_0$ utilisant cette technique spécifique.

Sélection des données : L'analyse utilise deux événements de GWTC-3.0 :
- GW190814 : Une fusion de trou noir/objet compact de faible masse, notée comme l'événement le mieux localisé du catalogue ( $\Omega_{90} = 18,5$ deg $^2$ ).
- GW170817 : La célèbre bright siren (fusion de binaires d'étoiles à neutrons, BNS). Crucialement, les auteurs traitent cet événement comme une dark siren dans cette analyse, sans utiliser son redshift de la galaxie hôte connue, afin de démontrer la viabilité de la méthode sans données de redshift électromagnétiques externes.
Signification de la détection :
- En utilisant GW190814 seul, le pic de corrélation croisée est détecté avec une signification de 3,4 $\sigma$ .
- L'inclusion de GW170817 (sans son redshift) porte la signification à 5,9 $\sigma$ .
Contraintes cosmologiques :
- Constante de Hubble ( $H_0$ ) : L'analyse combinée donne $H_0 = 67^{+18}_{-15}$ km s $^{-1}$ Mpc $^{-1}$ (IC 68 %). Ce résultat est cohérent avec d'autres mesures de dark siren et les données Planck CMB, bien qu'avec des incertitudes plus larges dues à la petite taille de l'échantillon.
- Biais des OG ( $b_{gw}$ ) : L'étude fournit la première contrainte observationnelle sur le biais des OG, trouvant $b_{gw} < 4,3$ à un intervalle de confiance (IC) de 95 %. Ce paramètre quantifie la force avec laquelle les sources d'OG tracent le champ de matière noire sous-jacent par rapport à l'échantillon de galaxies.
Validation méthodologique : Les auteurs vérifient que le signal est robuste face au bruit de tir (shot noise) et que la position du pic est une règle standard cosmique indépendante du modèle, insensible à la forme précise du spectre de puissance de la matière.

Signification et Revendications
L'article positionne ce travail comme une étape fondatrice (« la première pierre ») pour une nouvelle classe de sondes cosmologiques. Les principales revendications concernant la signification sont :

Indépendance vis-à-vis de la modélisation astrophysique : Contrairement aux analyses de dark siren standards, les Peak Sirens ne nécessitent pas d'hypothèses sur la distribution de masse ou le taux de fusion des CBC, réduisant ainsi l'enchevêtrement astrophysique.
Sonde directe du biais : La méthode offre une voie unique pour contraindre le biais des OG ( $b_{gw}$ ), un paramètre inaccessible aux techniques actuelles de dark siren, ce qui est crucial pour comprendre les mécanismes de formation des objets compacts.
Faisabilité avec des données limitées : La détection d'un signal de 5,9 $\sigma$ en utilisant seulement deux événements d'OG démontre que la technique est viable même avec des données éparses, à condition que les événements soient bien localisés et que le catalogue de galaxies soit suffisamment profond.
Potentiel futur : Les auteurs notent que si la précision actuelle est limitée par le petit nombre d'événements et la profondeur du catalogue GLADE+, la méthode évolue proportionnellement à la racine carrée du nombre d'événements d'OG. Ils projettent qu'avec environ 100 événements bien localisés, $H_0$ pourrait être mesuré avec une précision de ~4 %. La technique est également présentée comme un outil prometteur pour tester les théories de la gravité modifiée où les distances de luminosité des OG divergent des distances électromagnétiques standards.

Les auteurs restent modestes quant à la précision actuelle, reconnaissant que le résultat n'est pas encore compétitif avec les mesures de pointe du CMB ou des chandelles standards, mais soulignent sa compatibilité avec les contraintes existantes et son potentiel de raffinement futur avec les détecteurs d'OG de troisième génération et des relevés de galaxies plus profonds (ex: DESI, GAIA).

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