Cosmologie et gravitation

La cosmologie est la branche de l'astrophysique qui étudie l'origine et la dynamique de l'Univers dans son ensemble. Bien que l'idée d'un cosmos trouve ses racines dans l'histoire de l'humanité, la cosmologie n'a fait son entrée dans le domaine des sciences exactes que depuis une centaine d'années seulement.

La naissance de la cosmologie moderne

Au début des années 1920, les scientifiques savaient que notre système solaire était situé dans une galaxie, c'est-à-dire un système de milliards d'étoiles liées les unes aux autres par la gravitation. Cependant, ils ne savaient pas si d'autres objets similaires à notre propre galaxie – la Voie lactée – existaient.

En 1923, l'astronome Edwin Hubble réalise que l'objet astrophysique que nous connaissons aujourd'hui sous le nom de “Galaxie d'Andromède" est une source lointaine composée de milliards d'étoiles, à l'image de notre Voie lactée. Depuis lors, les astronomes n'ont cessé d'observé un nombre croissant de galaxies.

En 1929, Edwin Hubble fait une seconde observation révolutionnaire : il remarque que toutes les galaxies qu'il observe s'éloignent de nous [1]. Par ailleurs, il détermine que toutes les galaxies s'éloignent les unes des autres avec une vitesse directement proportionnelle à leur distance :

Fig. 1 : Premières mesures de l'expansion de l'Univers par E. Hubble. Sur l'axe horizontal nous avons la distance des galaxies tandis que sur l'axe vertical leur vitesse de récession. D'autres galaxies s'éloignent plus rapidement les unes des autres.

v=H0 * d (Eq. 1), où la constante reliant la vitesse et la distance de la galaxie, H0 est appelée constante de Hubble.

Hubble observe ainsi pour la toute première fois que l'Univers est en expansion. Malgré cette découverte révolutionnaire, l'idée d'un Univers en expansion n'était pas totalement inattendue. Entre 1917 et 1922, Willem De Sitter et Alexandre Friedmann avaient déjà montré que, sous l'hypothèse d'un Univers homogène et isotrope, la théorie de la relativité générale d'Einstein permettait son expansion [2] [3].

Il a été immédiatement reconnu que les observations de Hubble pouvaient s'expliquer par la relativité générale d'Einstein : les galaxies ne s'éloignent pas les unes des autres, c'est le tissu de l'Univers lui-même, l'espace-temps, qui s'étend.

Cet évènement a marqué la naissance de la cosmologie moderne. Dès lors, les scientifiques ont rapidement progressé dans leur observation du cosmos. Ils ont découvert que l'Univers est né il y a environ 13 billions d'années, qu'à ses débuts il était un plasma dense et chaud, et ils ont réussi à observer son empreinte, le fond diffus cosmologique (CMB).

Malgré les progrès rapides de la cosmologie moderne, les scientifiques sont toujours confrontés à des questions ouvertes qui remettent en question leur connaissance de la physique. En 1998, il a par exemple été observé que l'Univers non seulement s'étend, mais qu'il s'accélère. Selon la théorie de la relativité générale d'Einstein, ce phénomène s'explique par la présence d'une forme d'énergie inconnue qui renferme environ 70 % de l'énergie totale de l'Univers. Cette composante est appelée énergie noire. Mais quelle est la nature de l'énergie noire ? S'agit-il réellement d'une nouvelle forme d'énergie ou bien la relativité générale cesse-t-elle d'être valable aux échelles cosmologiques ?

Les scientifiques sont également confrontés a de nombreux défis d'observation. Notre modèle prédit que la constante de Hubble est constante partout. Cependant, deux expériences indépendantes, basées sur l'observation du CMB [4] et de notre Univers local [5], ont trouvé deux valeurs de H0 qui sont incompatibles entre elles. Pourquoi ces observations diffèrent-elles ? Y a-t-il un biais dans le dispositif expérimental ou observons-nous en fait une différence fondamentale dans les lois de la physique aux échelles locale et cosmologique ?

Les ondes gravitationnelles

Les ondes gravitationnelles pourraient aider à résoudre les questions ouvertes de la cosmologie. Ces perturbations dans le tissu de l'espace-temps se propageant à la vitesse de la lumière n'interagissent pas avec la matière pendant leur voyage, c'est-à-dire qu'elles nous arrivent à travers des distances cosmologiques inchangées. De leur détection, les scientifiques peuvent déduire directement la distance de la source d (voir l'équation 1). Il s'agit d'une information cruciale pour les mesures cosmologiques.

Cependant, ce type de rayonnement est très faible et sa détection représente un défi majeur. La première détection n'a été réalisée qu'en 2015, avec un signal produit par la coalescence de deux trous noirs. En 2017, en combinant la détection des ondes gravitationnelles d'une étoile à neutrons binaire fusionnée avec l'observation des ondes électromagnétiques (lumière), la galaxie hôte de la source a pu être identifiée. Cela a représenté une percée majeure, car cela a permis une toute nouvelle mesure de la constante de Hubble. La valeur déduite était de 70+12-8 km/Mpcs. Cette mesure deviendra de plus en plus précise à mesure que de nouvelles détections d'ondes gravitationnelles seront réalisées.

Fig. 2 : Mesure de la constante de Hubble à partir de la fusion d'étoiles à neutrons binaires GW170817. Sur l'axe vertical, nous avons les valeurs de la constante de Hubble et sur l'axe vertical, la probabilité associée. Reproduction du graphique de [6] avec les mesures données dans [4][5].

L'études des ondes gravitationnelles au PCCP

Au Paris Centre for Cosmological Physics nous étudions comment les ondes gravitationnelles peuvent aider à résoudre les problèmes de la cosmologie moderne. En particulier, nous étudions le niveau de précision qui peut être atteint avec les futurs détecteurs d'ondes gravitationnelles dans la mesure de la constante de Hubble. La principale limitation actuelle est représentée par la précision de la mesure de la distance de luminosité de la source. Afin d'améliorer l'estimation de ce paramètre, nos détecteurs doivent détecter efficacement les deux polarisations des ondes gravitationnelles, c'est-à-dire les directions dans lesquelles l'onde gravitationnelle oscille. Malheureusement, nos détecteurs ne sont pas sensibles aux deux polarisations en même temps. Pour cette raison, plusieurs détecteurs d'ondes gravitationnelles sont nécessaires pour localiser un signal.

Fig. 3 montre comment l'augmentation du nombre de détecteurs opérationnels permettra d'améliorer la surface totale du ciel pour laquelle nous sommes capables de distinguer les deux polarisations des ondes gravitationnelles et de donner une valeur précise pour la distance de luminosité. Le passage de deux à cinq détecteurs permettra de réduire les endroits problématiques de 90 % du ciel à seulement 5 % environ. Par conséquent, afin d'améliorer nos mesures de la constante de Hubble, nous avons besoin de plus de détecteurs d'ondes gravitationnelles.

Notes :

[1] Hubble, E., 1929, PNAS, 15, 168

[2] de Sitter, W. 1917, MNRAS, 78, 3

[3] Friedman, A. A. 1922, Zeitschrift für Physik, 10, 377

[4] The Planck collaboration, 2016, AAP, 594, A13

[5] Reid, M. J. et al., 2019, APJL, 886,2

[6] The LIGO and Virgo collaboration, PRL, 116 (6): 061102

[7] B. P. Abbott et al., Nature, 2017, 551 85-88