Biases from Astrophysical Environmental Effects in Standard-Siren Cosmology
Cette étude démontre que l'accélération non modélisée de la ligne de visée des binaires compactes dans les environnements astrophysiques denses biaise systématiquement les mesures de la constante de Hubble par sirènes standards vers des valeurs plus basses, créant une erreur systématique significative qui persiste même en effectuant une moyenne sur de vastes catalogues d'événements.
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L'univers est en expansion, et depuis des décennies, les astronomes tentent de mesurer précisément à quelle vitesse. Ce taux, connu sous le nom de constante de Hubble, est un nombre fondamental qui nous renseigne sur l'âge et la taille du cosmos. Pour le trouver, les scientifiques utilisent traditionnellement deux méthodes différentes qui agissent comme des règles cosmiques. Une méthode observe l'univers primordial, utilisant la lueur résiduelle du Big Bang pour calculer la vitesse à laquelle l'espace est censé s'étirer. L'autre observe l'univers proche, en observant des étoiles explosives et d'autres objets brillants pour mesurer l'expansion directement. Étrangement, ces deux méthodes donnent des réponses différentes, un casse-tête connu sous le nom de tension de Hubble. Il est possible que cette différence provienne d'une faille dans notre façon de mesurer, ou cela pourrait signifier que notre compréhension de la physique est incomplète.
Une troisième façon indépendante de mesurer cette expansion a récemment émergé grâce aux ondes gravitationnelles. Ce sont des ondulations de l'espace-temps causées par des événements cosmiques violents, tels que la collision de deux étoiles à neutrons. Lorsque ces étoiles s'entrechoquent, elles envoient un signal qui nous indique exactement à quelle distance elles se trouvent, sans avoir besoin de grimper une échelle d'autres mesures pour y parvenir. Si nous pouvons également identifier la galaxie où la collision a eu lieu et déterminer à quelle vitesse cette galaxie s'éloigne de nous, nous pouvons calculer le taux d'expansion de l'univers avec une grande précision. Cette méthode est appelée cosmologie des sirènes standards, et avec la prochaine génération de détecteurs, elle promet d'être l'un des outils les plus précis dont nous disposerons. Cependant, pour que cet outil fonctionne parfaitement, nous devons être certains que rien ne distord le signal pendant son trajet jusqu'à nous.
Une équipe de chercheurs a maintenant étudié une source de distorsion subtile mais potentiellement dangereuse. Ils se sont concentrés sur ce qui se passe lorsque deux étoiles à neutrons ne flottent pas seules dans le vide spatial, mais orbitent plutôt l'une autour de l'autre à l'intérieur d'un environnement dense et encombré, tel que le disque tourbillonnant de gaz entourant un trou noir supermassif au centre d'une galaxie. Dans ces quartiers animés, les étoiles ne se contentent pas de suivre un mouvement circulaire simple ; elles sont poussées et tirées par la gravité d'objots proches et par la traînée du gaz environnant. Cela provoque l'accélération des étoiles le long de la ligne de visée, ce qui signifie qu'elles accélèrent ou ralentissent par rapport à nous d'une manière qui change au fil du temps. Les chercheurs voulaient savoir si cette accélération tromperait nos détecteurs en leur donnant une mauvaise réponse sur la distance des étoiles et, par conséquent, une mauvaise réponse sur l'expansion de l'univers.
Pour le découvrir, les scientifiques ont créé une simulation informatique de cinquante collisions d'étoiles à neutrons binaires. Ils ont imaginé que ces étoiles étaient situées au centre de galaxies, où elles subissaient différents niveaux d'accélération causés par leur environnement. Ils ont ensuite fait passer ces signaux simulés à travers les logiciels d'analyse de données que les futurs détecteurs, comme le Télescope Einstein et Cosmic Explorer, utiliseront pour étudier des événements réels. Crucialement, le logiciel qu'ils ont utilisé était conçu pour le cas idéal : il supposait que les étoiles se déplaçaient dans un vide parfait, sans forces externes agissant sur elles. Les chercheurs voulaient voir ce qui se passerait si le monde réel était plus désordonné que ce que le modèle supposait.
Les résultats ont montré qu'ignorer la poussée et la traction environnementales crée une erreur systématique. Lorsque le logiciel analysait des signaux contenant réellement une accélération, il évaluait de manière erronée la distance des étoiles. Il calculait que les étoiles étaient plus loin qu'elles ne l'étaient réellement. Comme la distance est un élément clé du calcul de la vitesse d'expansion, cette erreur a entraîné une sous-estimation de la constante d'expansion de l'univers. Les chercheurs ont constaté que ce biais ne disparaît pas lorsque l'on observe davantage d'événements. En fait, c'est l'inverse qui se produit. Lorsque l'on combine les données de nombreuses étoiles, l'incertitude statistique diminue, rendant le résultat plus précis. Mais si chaque mesure est décalée dans la même mauvaise direction, la réponse finale devient un chiffre très précis, très confiant, mais complètement faux.
L'étude a quantifié l'ampleur du problème. Ils ont découvert que même si seule une petite fraction des étoiles observées est affectée par cette accélération, l'erreur peut devenir significative. Par exemple, si dix pour cent des étoiles d'un échantillon de cinquante se déplacent avec un type spécifique d'accélération, le résultat final pourrait être erroné de plus de trois fois la marge d'erreur attendue. Si l'accélération est plus forte, même une faible fraction d'étoiles affectées peut provoquer un décalage important. Les chercheurs ont noté que cet effet est particulièrement complexe car la direction de l'accélération — que les étoiles accélèrent vers nous ou ralentissent — n'annule pas l'erreur. L'analyse a tendance à surestimer la distance quelle que soit la direction, conduisant à une sous-estimation constante de la vitesse d'expansion.
Cette découverte suggère que l'environnement où ces étoiles fusionnent n'est pas seulement un détail de second plan, mais un facteur critique de la cosmologie. Si les futurs détecteurs observent des centaines de ces événements, les petits biais des étoiles individuelles pourraient s'accumuler pour devenir une erreur systématique majeure qui fausserait toute notre compréhension de l'expansion de l'univers. Les chercheurs concluent que pour atteindre la haute précision promise par les détecteurs de nouvelle génération, nous devons mettre à jour nos modèles pour inclure ces effets environnementaux. Ce faisant, nous pourrons non seulement corriger la mesure de la constante de Hubble, mais aussi en apprendre davantage sur les régions denses et chaotiques où ces collisions cosmiques ont lieu. Le chemin vers une mesure précise de l'expansion de l'univers exige désormais que nous regardions de plus près les quartiers encombrés où vivent les étoiles.
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