Astronomie

Comment la constante de Hubble est-elle déterminée à partir des ondes gravitationnelles ?

Comment la constante de Hubble est-elle déterminée à partir des ondes gravitationnelles ?

Nous savons qu'il existe un écart entre les mesures de la constante de Hubble, $H_0$. D'un côté il y a la méthode de la mission Planck, où ils utilisent le CMB et le $Lambda$Modèle CDM pour déterminer la constante de Hubble. De l'autre côté, ils utilisent des bougies standards, comme les variables Céphéides (par exemple : Riess et al., 2019) et les géantes rouges (par exemple : Freedman et al., 2020). Les mesures très précises ne se chevauchent pas et nous avons donc besoin d'une 'solution'.

Une façon d'améliorer nos connaissances sur $H_0$ est en utilisant des ondes gravitationnelles pour déterminer la constante de Hubble (Feeney et al., version Arxiv). Ils comparent la « force » mesurée de l'onde gravitationnelle avec la « force » de l'onde lorsqu'elle a été créée pour déterminer la distance à l'objet source. Mais comment calculent-ils/déterminent-ils la « force » de l'onde à la source ? Je sais qu'ils utilisent également une observation EMS pour calculer le décalage vers le rouge (et ce décalage vers le rouge converti en vitesse radiale divisée par la distance donne $H_0$), mais d'où calculent-ils la « force » source de l'onde gravitationnelle ? Comment peuvent-ils autrement déterminer la quantité d'énergie perdue par la vague ? Je n'arrive pas à trouver la réponse.


Si vous mesurez la forme d'onde gravitationnelle à partir d'un binaire inspirant, vous pouvez à tout moment mesurer l'amplitude, la fréquence instantanée et le taux de changement de fréquence. Les deux derniers vous donnent la "masse de chirp", qui est liée au produit et à la somme des masses des composants binaires.

L'amplitude de l'onde gravitationnelle dépend alors de la masse du chirp et de la distance à la source. Ainsi, nous pouvons estimer la distance (luminosité).

Si nous connaissons alors le décalage vers le rouge de la source, ou au moins le décalage vers le rouge de la galaxie dans laquelle elle se trouve, alors une estimation indépendante du paramètre de Hubble est possible. Par conséquent, cela ne peut être fait que pour les sources d'ondes gravitationnelles avec des galaxies hôtes identifiées (jusqu'à présent, cela ne peut être fait que pour les sources GW qui montrent une contrepartie électromagnétique - la fusion d'étoiles à neutrons).

C'est un peu plus compliqué que cela, car l'amplitude dépend aussi de l'inclinaison de l'orbite binaire par rapport à la ligne de visée. Heureusement, cela peut être contraint en mesurant les amplitudes relatives des deux polarisations possibles des ondes gravitationnelles (+ et ×) et cela peut être fait si vous avez deux interféromètres avec une orientation différente de leurs bras (comme LIGO et VIRGO par exemple), qui aussi aide à localiser la source GW dans le ciel pour rechercher des homologues électromagnétiques.


Les ondes gravitationnelles pourraient résoudre le débat constant de Hubble

Les simulations d'une équipe internationale de chercheurs ont montré que de nouvelles mesures des ondes gravitationnelles pourraient enfin résoudre l'écart dans la constante de Hubble signalé à l'aide de différentes techniques de mesure. Les scientifiques ont découvert que l'accumulation de signaux d'ondes gravitationnelles provenant de la fusion de 50 étoiles à neutrons binaires donnerait la valeur la plus précise de la constante à ce jour – ce qui non seulement réglerait le débat mais confirmerait également s'il y a des problèmes avec le modèle cosmologique standard actuel .

La constante de Hubble représente la vitesse à laquelle l'univers s'étend actuellement et est vitale pour calculer à la fois son âge et sa taille. La constante est également largement utilisée en astronomie pour aider à déterminer les masses et les luminosités des étoiles, les échelles de taille des amas de galaxies, et bien plus encore. Cependant, deux techniques différentes pour estimer la valeur de la constante de Hubble ont donné des résultats très différents

Pour mesurer directement la constante de Hubble, les scientifiques doivent connaître la vitesse radiale vers l'extérieur d'une galaxie et sa distance à la Terre. La première de ces mesures peut être obtenue à partir du décalage vers le rouge spectroscopique de la galaxie, mais la distance à la galaxie est plus difficile à déterminer directement.

Une façon courante d'estimer la distance consiste à exploiter ce que l'on appelle des « bougies standard » – des étoiles variables céphéides ou des supernovae de type 1a qui ont des luminosités absolues connues. En 2016, la meilleure estimation de la constante de Hubble obtenue de cette manière était de 73,2 km s –1 Mpc –1 – très différente de la valeur de 67,8 km s –1 Mpc –1 obtenue la même année en étudiant le rayonnement du fond diffus cosmologique. (CMB). L'écart doit encore être expliqué, car les valeurs devraient concorder si le modèle cosmologique standard est correct.

Dans cette nouvelle étude, des chercheurs européens et américains ont tenté de réconcilier ces deux résultats. Les scientifiques ont exploité le concept de « distribution prédictive postérieure » (PPD), une méthodologie souvent utilisée pour déterminer la reproductibilité des résultats expérimentaux. Le PPD repose sur une vision dynamique de la probabilité – en d'autres termes, une vision qui change au fur et à mesure que de nouvelles informations sont obtenues.

Dans ce cas, les scientifiques ont mis en œuvre le PPD pour simuler les mesures de la constante de Hubble en utilisant ces deux méthodes différentes, et pour vérifier leur cohérence avec le modèle cosmologique standard. Une découverte intéressante est qu'il y a au moins 6% de chances que l'écart actuel dans la constante de Hubble soit purement dû à une erreur aléatoire.

Ils ont ensuite simulé comment de nouvelles données indépendantes pourraient aider à résoudre le débat. Les ondes gravitationnelles issues de la fusion d'étoiles à neutrons semblaient une voie prometteuse à explorer, car leur signal impose des contraintes sur la distance aux étoiles binaires. Les mesures des ondes gravitationnelles devraient donc fournir une estimation de la constante de Hubble sans faire d'hypothèses sur la cosmologie de l'Univers.

Les chercheurs ont découvert que 50 détections de signaux d'ondes gravitationnelles provenant de la fusion d'étoiles à neutrons seraient nécessaires pour arbitrer correctement entre les deux valeurs différentes de la constante de Hubble. L'inclusion d'un tel ensemble de données dans leurs simulations PPD donnerait, selon eux, la valeur la plus précise de la constante de Hubble jamais mesurée – avec une erreur inférieure à 1,8 %. À en juger par les progrès actuels, les observations de ces 50 fusions d'étoiles à neutrons pourraient bien être réalisées au cours de la prochaine décennie.


Les ondes de gravité peuvent aider à résoudre l'énigme constante de Hubble

Une impression d'artiste de deux étoiles à neutrons sur le point de fusionner, générant des ondes gravitationnelles qui déforment le tissu de l'espace. Image : NASA/Tod Strohmayer (GSFC)/Dana Berry (Chandra X-Ray Observatory

Le domaine émergent de l'astronomie des ondes gravitationnelles peut aider à résoudre une énigme cosmologique déconcertante : un écart entre les deux principales techniques pour déterminer la constante de Hubble, une mesure de la vitesse à laquelle l'univers s'étend et un indicateur clé de la taille, de la forme et de l'évolution future de le cosmos.

Une technique utilise des étoiles variables céphéides relativement proches et des supernovae de type 1a beaucoup plus éloignées comme des bougies standard, leur permettant de mesurer le taux actuel de l'expansion universelle et son évolution au cours de l'histoire de l'univers. Mesurée en kilomètres par seconde par million de parsecs (3,26 millions d'années-lumière), la constante de Hubble ainsi calculée s'élève à 73,2.

Une autre technique consiste à étudier de près le rayonnement de fond micro-ondes laissé par le Big Bang. En 2015, une équipe d'astronomes a analysé les données collectées par le vaisseau spatial Gaia de l'Agence spatiale européenne et a obtenu une constante de Hubble de 67,8.

D'autres techniques fournissent des réponses légèrement différentes. Mais si les hypothèses sous-jacentes concernant l'univers primitif sont correctes, elles devraient toutes être d'accord.

"Nous pouvons mesurer la constante de Hubble en utilisant deux méthodes, l'une en observant les étoiles céphéides et les supernovae dans l'univers local, et une seconde en utilisant des mesures du rayonnement de fond cosmique de l'univers primitif", a déclaré Hiranya Peiris, professeur de physique et d'astronomie. au London City College. « Mais ces méthodes ne donnent pas les mêmes valeurs, ce qui signifie que notre modèle cosmologique standard pourrait être défectueux. »

Une nouvelle étude en Lettres d'examen physique montre comment les ondes gravitationnelles générées par les fusions d'étoiles à neutrons binaires pourraient être utilisées pour obtenir une valeur plus fiable pour la constante de Hubble.

Les ondes gravitationnelles générées lorsque deux étoiles à neutrons se rapprochent de plus en plus l'une de l'autre peuvent être détectées par le Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory et les détecteurs Virgo, fournissant une mesure de la distance entre le système et la Terre. En étudiant la lumière de ces fusions explosives, la vitesse du système peut être déterminée. À partir de ces données, une valeur précise pour la constante de Hubble peut être calculée.

"Nous avons calculé qu'en observant 50 étoiles à neutrons binaires au cours de la prochaine décennie, nous aurons suffisamment de données sur les ondes gravitationnelles pour déterminer indépendamment la meilleure mesure de la constante de Hubble", a déclaré l'auteur principal, le Dr Stephen Feeney du Center for Computational. Astrophysique au Flatiron Institute de New York. “Nous devrions être en mesure de détecter suffisamment de fusions pour répondre à cette question d'ici 5 à 10 ans.”

Des subventions récentes de la US National Science Foundation, de UK Research and Innovation et du Australian Research Council financeront les mises à niveau de LIGO qui devraient être mises en place d'ici 2024, ce qui augmentera jusqu'à sept le volume d'espace que l'observatoire des ondes gravitationnelles peut voir. fois. Les mises à niveau sont connues sous le nom de Advanced LIGO Plus.

"Avec lui, nous prévoyons de détecter quotidiennement les ondes gravitationnelles provenant des fusions de trous noirs, augmentant considérablement notre compréhension de ce secteur sombre de l'univers", a déclaré David Reitze, directeur exécutif de LIGO chez Caltech. « Les observations par ondes gravitationnelles des collisions d'étoiles à neutrons, désormais très rares, deviendront beaucoup plus fréquentes, nous permettant de sonder plus en profondeur la structure de leurs intérieurs exotiques. »


Des astronomes développent une nouvelle méthode pour mesurer la constante de Hubble

La constante de Hubble mesure le taux d'expansion actuel de notre Univers et joue un rôle fondamental en cosmologie : elle peut être utilisée pour déterminer la taille et l'âge de l'Univers, ainsi que servir d'outil essentiel pour interpréter les observations d'objets cosmiques. Une équipe internationale d'astronomes a utilisé une combinaison d'observations par ondes gravitationnelles et radio de GW170817, une fusion de deux étoiles à neutrons détectées en 2017, pour trouver une valeur plus précise pour la constante de Hubble.

Illustration d'artiste de la fusion de deux étoiles à neutrons. Crédit image : NSF / LIGO / Sonoma State University / A. Simonnet.

Deux principales méthodes de détermination de la constante de Hubble utilisent les caractéristiques du fond diffus cosmologique (CMB), le rayonnement résiduel du Big Bang ou les explosions de supernova de type Ia. Cependant, ces deux méthodes donnent des résultats différents.

"La fusion d'étoiles à neutrons nous offre une nouvelle façon de mesurer la constante de Hubble et, espérons-le, de résoudre le problème", a déclaré le Dr Kunal Mooley, astronome à l'Observatoire national de radioastronomie (NRAO) et à Caltech.

La nouvelle technique est similaire à celle utilisant les explosions de supernova.

On pense que les supernovae de type Ia ont toutes une luminosité intrinsèque qui peut être calculée en fonction de la vitesse à laquelle elles s'éclaircissent puis s'estompent.

La mesure de la luminosité vue de la Terre indique ensuite la distance jusqu'à l'explosion de la supernova.

La mesure du décalage Doppler de la lumière de la galaxie hôte de la supernova indique la vitesse à laquelle la galaxie s'éloigne de la Terre. La vitesse divisée par la distance donne la constante de Hubble.

Pour obtenir un chiffre précis, de nombreuses mesures de ce type doivent être effectuées à différentes distances.

Lorsque deux étoiles à neutrons massives entrent en collision, elles produisent une explosion et une rafale d'ondes gravitationnelles.

La forme du signal des ondes gravitationnelles indique aux scientifiques à quel point cette explosion d'ondes gravitationnelles était «brillante».

La mesure de la « luminosité » ou de l'intensité des ondes gravitationnelles reçues sur Terre peut donner la distance.

"Il s'agit d'un moyen de mesure complètement indépendant qui, nous l'espérons, pourra clarifier la vraie valeur de la constante de Hubble", a déclaré le Dr Mooley.

Cependant, il y a une torsion. L'intensité des ondes gravitationnelles varie avec leur orientation par rapport au plan orbital des deux étoiles à neutrons. Les ondes gravitationnelles sont plus fortes dans la direction perpendiculaire au plan orbital et plus faibles si le plan orbital est de bord vu de la Terre.

"Afin d'utiliser les ondes gravitationnelles pour mesurer la distance, nous devions connaître cette orientation", a déclaré le Dr Adam Deller, astronome à l'Université de technologie de Swinburne.

Pendant plusieurs mois, les astronomes ont utilisé des radiotélescopes pour mesurer le mouvement d'un jet de matière ultrarapide éjecté par l'événement GW170817.

« Nous avons utilisé ces mesures ainsi que des simulations hydrodynamiques détaillées pour déterminer l'angle d'orientation, permettant ainsi d'utiliser les ondes gravitationnelles pour déterminer la distance », a déclaré le Dr Ehud Nakar, de l'Université de Tel Aviv.

Les astronomes ont calculé que la valeur constante de Hubble se situait entre 40,6 miles (65,3 km) et 47 miles (75,6 km) par seconde par mégaparsec.

"Cette seule mesure, d'un événement à quelque 130 millions d'années-lumière de la Terre, n'est pas encore suffisante pour résoudre l'incertitude, mais la technique peut désormais être appliquée aux futures fusions d'étoiles à neutrons détectées avec des ondes gravitationnelles", ont-ils déclaré.

Le travail de l'équipe apparaît dans le journal Astronomie de la nature.

K. Hotokezaka et al. Une mesure de la constante de Hubble à partir du mouvement supraluminique du jet dans GW170817. Astronomie de la nature, publié en ligne le 8 juillet 2019 doi: 10.1038/s41550-019-0820-1


Une mesure de sirène standard à ondes gravitationnelles de la constante de Hubble

Le 17 août 2017, les détecteurs Advanced LIGO et Virgo ont observé l'événement d'ondes gravitationnelles GW170817, un signal fort issu de la fusion d'un système binaire à neutrons et d'étoiles. Moins de deux secondes après la fusion, un sursaut de rayons γ (GRB 170817A) a été détecté dans une région du ciel compatible avec l'emplacement dérivé de LIGO-Virgo de la source d'ondes gravitationnelles. Cette région du ciel a ensuite été observée par des installations d'astronomie optique, ce qui a permis d'identifier un signal optique transitoire à environ dix secondes d'arc de la galaxie NGC 4993. Cette détection de GW170817 dans les ondes gravitationnelles et les ondes électromagnétiques représente le premier "multi-messager" astronomique observation. De telles observations permettent à GW170817 d'être utilisé comme une « sirène standard » (ce qui signifie que la distance absolue à la source peut être déterminée directement à partir des mesures d'ondes gravitationnelles) pour mesurer la constante de Hubble. Cette quantité représente le taux d'expansion locale de l'Univers, définit l'échelle globale de l'Univers et est d'une importance fondamentale pour la cosmologie. Nous rapportons ici une mesure de la constante de Hubble qui combine la distance à la source déduite purement du signal d'onde gravitationnelle avec la vitesse de récession déduite des mesures du décalage vers le rouge en utilisant les données électromagnétiques. Contrairement aux mesures précédentes, les nôtres ne nécessitent pas l'utilisation d'une « échelle de distance » cosmique : l'analyse des ondes gravitationnelles peut être utilisée pour estimer la distance de luminosité à des échelles cosmologiques directement, sans utiliser de mesures de distance astronomiques intermédiaires. Nous déterminons que la constante de Hubble est d'environ 70 kilomètres par seconde par mégaparsec. Cette valeur est cohérente avec les mesures existantes, tout en étant totalement indépendante d'elles. Des mesures de sirène standard supplémentaires à partir de futures sources d'ondes gravitationnelles permettront de contraindre la constante de Hubble à une haute précision.


Le 17 août 2017, les détecteurs Advanced LIGO 1 et Virgo 2 ont observé l'événement d'ondes gravitationnelles GW170817, un signal fort issu de la fusion d'un système binaire à neutrons et d'étoiles 3 . Moins de deux secondes après la fusion, un sursaut de rayons γ (GRB 170817A) a été détecté dans une région du ciel compatible avec l'emplacement dérivé de LIGO-Virgo de la source d'ondes gravitationnelles 4-6. Cette région du ciel a ensuite été observée par des installations d'astronomie optique 7 , entraînant l'identification 8-13 d'un signal optique transitoire à environ dix secondes d'arc de la galaxie NGC 4993. Cette détection de GW170817 à la fois dans les ondes gravitationnelles et les ondes électromagnétiques représente le premier "multi -observation astronomique du messager. De telles observations permettent à GW170817 d'être utilisé comme une « sirène standard » 14-18 (ce qui signifie que la distance absolue à la source peut être déterminée directement à partir des mesures d'ondes gravitationnelles) pour mesurer la constante de Hubble. Cette quantité représente le taux d'expansion locale de l'Univers, définit l'échelle globale de l'Univers et est d'une importance fondamentale pour la cosmologie. Nous rapportons ici une mesure de la constante de Hubble qui combine la distance à la source déduite purement du signal d'onde gravitationnelle avec la vitesse de récession déduite des mesures du décalage vers le rouge en utilisant les données électromagnétiques. Contrairement aux mesures précédentes, la nôtre ne nécessite pas l'utilisation d'une « échelle de distance » cosmique 19 : l'analyse des ondes gravitationnelles peut être utilisée pour estimer la distance de luminosité à des échelles cosmologiques directement, sans utiliser de mesures de distance astronomiques intermédiaires. Nous déterminons que la constante de Hubble est d'environ 70 kilomètres par seconde par mégaparsec. Cette valeur est cohérente avec les mesures existantes 20,21, tout en étant totalement indépendante d'elles. Des mesures de sirène standard supplémentaires à partir de futures sources d'ondes gravitationnelles permettront de contraindre la constante de Hubble à une haute précision.

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Une mesure de sirène standard à ondes gravitationnelles de la constante de Hubble. / Collaboration Scientifique Ligo Collaboration Virgo Collaboration 1M2H Caméra à Énergie Noire Collaboration GW-EM Collaboration DES Collaboration DLT40 Collaboration Observatoire de Las Cumbres Collaboration VINRO UGE Collaboration MASTER.

Dans : Nature , Vol. 551, n° 7678, 02.11.2017, p. 85-98.

Résultats de recherche : Contribution à la revue › Article › peer-review

T1 - Une mesure de sirène standard à ondes gravitationnelles de la constante de Hubble

AU - Collaboration Scientifique Ligo

AU - Collaboration avec la caméra à énergie noire GW-EM

UA - Collaboration avec l'Observatoire de Las Cumbres

Collaboration AU - VINRO UGE

N1 - Informations sur le financement : Remerciements Nous reconnaissons le soutien de la National Science Foundation (NSF) des États-Unis pour la construction et l'exploitation du LIGO Laboratory et du Advanced LIGO ainsi que du Science and Technology Facilities Council (STFC) du Royaume-Uni, du Max-Planck-Society (MPS) et l'État de Niedersachsen/Allemagne pour le soutien à la construction d'Advanced LIGO et à la construction et à l'exploitation du détecteur GEO600. Un soutien supplémentaire pour Advanced LIGO a été fourni par l'Australian Research Council. Nous remercions l'Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (INFN) italien, le Centre national de la recherche scientifique (CNRS) français et la Fondation pour la recherche fondamentale sur la matière soutenue par l'Organisation néerlandaise pour la recherche scientifique pour la construction et l'exploitation du détecteur Virgo et la création et le soutien du consortium EGO. Nous reconnaissons le soutien à la recherche de ces agences ainsi que du Conseil de la recherche scientifique et industrielle de l'Inde, du Département des sciences et de la technologie, de l'Inde, du Conseil de recherche scientifique et technique (SERB), de l'Inde, du ministère du Développement des ressources humaines, de l'Inde. , l'Agencia Estatal de Investigación espagnole, la Vicepresidència i Conselleria d'Innovació, Recerca i Turisme et la Conselleria d'Educació i Universitat del Govern de les Illes Balears, la Conselleria d'Educació, Investigació, Cultura i Esport de la Generalitat Valenciana, le Centre national de la science de Pologne, le Fonds national suisse de la recherche scientifique (FNS), la Fondation russe pour la recherche fondamentale, la Fondation russe de la science, la Commission européenne, le Fonds européen de développement régional (FEDER), la Société royale, le Scottish Funding Council, l'Alliance de physique des universités écossaises, le Fonds hongrois pour la recherche scientifique (OTKA), le Lyon Institute of Origins (LIO), le National Research, Devel Bureau de l'innovation et de l'innovation en Hongrie (NKFI), la Fondation nationale pour la recherche de Corée, Industrie Canada et la province de l'Ontario par l'intermédiaire du ministère du Développement économique et de l'Innovation, le Conseil de recherches en sciences naturelles et en génie du Canada, l'Institut canadien de recherches avancées, le Ministère des Sciences, de la Technologie, de l'Innovation et des Communications, le Centre international de physique théorique, l'Institut sud-américain de recherche fondamentale (ICTP-SAIFR), le Research Grants Council de Hong Kong, la National Natural Science Foundation of China (NSFC), le Leverhulme Trust, la Research Corporation, le ministère des Sciences et de la Technologie (MOST), Taïwan et la Fondation Kavli. Nous reconnaissons le soutien de la NSF, du STFC, du MPS, de l'INFN, du CNRS et de l'État de Niedersachsen/Allemagne pour la fourniture de ressources informatiques. Ce papier a reçu le numéro de document LIGO-P1700296. Nous remercions l'Université de Copenhague, le DARK Cosmology Centre et la Niels Bohr International Academy d'avoir accueilli D.A.C., R.J.F., A.M.B., E. Ramirez-Ruiz et M.R.S. lors de la découverte de GW170817/SSS17a. R.J.F., A.M.B., E. Ramirez-Ruiz et D.E.H. participaient au Kavli Summer Program in Astrophysics, « Astrophysics with gravitational wave detections ». Ce programme a été soutenu par la Fondation Kavli, la Fondation nationale de recherche danoise, l'Académie internationale Niels Bohr et le Centre de cosmologie DARK. Le groupe UCSC est soutenu en partie par la subvention NSF AST-1518052, la Fondation Gordon & Betty Moore, la Fondation Heising-Simons, les dons généreux de nombreuses personnes via une subvention UCSC Giving Day et des bourses de la Fondation Alfred P. Sloan ( RJF), la Fondation David et Lucile Packard (RJF et E. Ramirez-Ruiz) et la Chaire Niels Bohr de la DNRF (E. Ramirez-Ruiz). A.M.B. reconnaît le soutien d'une bourse de doctorat UCMEXUS-CONACYT. Le soutien à ce travail a été fourni par la NASA par le biais des subventions de bourses Hubble HST-HF-51348.001 et HST-HF-51373.001 décernées par le Space Telescope Science Institute, qui est exploité par l'Association of Universities for Research in Astronomy, Inc., pour la NASA, sous contrat NAS5–26555. Le Berger Time-Domain Group à Harvard est soutenu en partie par la NSF via les subventions AST-1411763 et AST-1714498, et par la NASA via les subventions NNX15AE50G et NNX16AC22G. Le financement des projets DES a été assuré par le DOE et la NSF (États-Unis), MEC/MICINN/MINECO (Espagne), STFC (Royaume-Uni), HEFCE (Royaume-Uni). NCSA (UIUC), KICP (U. Chicago), CCAPP (Ohio State), MIFPA (Texas A&M), CNPQ, FAPERJ, FINEP (Brésil), DFG (Allemagne) et les institutions collaboratrices dans le Dark Energy Survey. Les institutions collaboratrices sont Argonne Lab, UC Santa Cruz, University of Cambridge, CIEMAT-Madrid, University of Chicago, University College London, DES-Brazil Consortium, University of Edinburgh, ETH Zürich, Fermilab, University of Illinois, ICE (IEEC-CSIC ), IFAE Barcelona, ​​Lawrence Berkeley Lab, LMU München and the Associated Excellence Cluster Universe, University of Michigan, NOAO, University of Nottingham, Ohio State University, University of Pennsylvania, University of Portsmouth, SLAC National Lab, Stanford University, University of Sussex , Texas A&M University et OzDES Membership Consortium. Basé en partie sur des observations à l'Observatoire interaméricain de Cerro Tololo, l'Observatoire national d'astronomie optique, qui est exploité par l'Association des universités pour la recherche en astronomie (AURA) dans le cadre d'un accord de coopération avec la National Science Foundation. Le système de gestion des données DES est soutenu par la NSF sous les numéros de subvention AST-1138766 et AST-1536171. Les participants au DES des institutions espagnoles sont partiellement soutenus par le MINECO dans le cadre des subventions AYA2015-71825, ESP2015-88861, FPA2015-68048 et Centro de Excelencia SEV-2012-0234, SEV-2016-0597 et MDM-2015-0509. La recherche menant à ces résultats a reçu un financement de l'ERC dans le cadre du septième programme-cadre de l'Union européenne, y compris les subventions ERC 240672, 291329 et 306478. Nous reconnaissons le soutien du Centre d'excellence du Conseil australien de la recherche pour l'astrophysique du ciel (CAASTRO), par le biais du numéro de projet CE11001020. Ce manuscrit a été rédigé par Fermi Research Alliance, LLC sous le numéro de contrat DE-AC02-07CH11359 avec le US Department of Energy, Office of Science, Office of High Energy Physics. Le gouvernement des États-Unis conserve et l'éditeur, en acceptant l'article pour publication, reconnaît que le gouvernement des États-Unis conserve une licence mondiale non exclusive, payée, irrévocable pour publier ou reproduire la forme publiée de ce manuscrit, ou permettre à d'autres de le faire, aux fins du gouvernement des États-Unis. D.J.S. reconnaît le soutien au programme DLT40 de la subvention NSF AST-1517649. Le soutien à I. Arcavi a été fourni par la NASA dans le cadre du programme de bourses Einstein, subvention PF6-170148. G. Hosseinzadeh, D.A.H. et C. McCully sont soutenus par la subvention NSF AST-1313484. D. Poznanski reconnaît le soutien de la subvention 541/17 de la Fondation israélienne pour la science. VINROUGE est un Large Survey de l'Observatoire Européen Austral (id: 0198.D-2010). MASTER reconnaît le programme de développement Lomonosov MSU et le ministère de l'Éducation et des Sciences de la Fédération de Russie. Cette recherche a utilisé la base de données extragalactique NASA/IPAC (NED), qui est exploitée par le Jet Propulsion Laboratory, California Institute of Technology, sous contrat avec la NASA. Copyright de l'éditeur : © 2017 Macmillan Publishers Limited, filiale de Springer Nature. Tous les droits sont réservés.

N2 - Le 17 août 2017, les détecteurs Advanced LIGO1 et Virgo2 ont observé l'événement d'ondes gravitationnelles GW170817, un signal fort issu de la fusion d'un système binaire à neutrons et d'étoiles3. Moins de deux secondes après la fusion, un sursaut de rayons γ (GRB 170817A) a été détecté dans une région du ciel compatible avec l'emplacement dérivé de LIGO-Virgo de la source d'ondes gravitationnelles4-6. Cette région du ciel a ensuite été observée par des installations d'astronomie optique7, entraînant l'identification8-13 d'un signal optique transitoire à une dizaine de secondes d'arc de la galaxie NGC 4993. Cette détection de GW170817 à la fois dans les ondes gravitationnelles et les ondes électromagnétiques représente le premier ' observation astronomique. De telles observations permettent à GW170817 d'être utilisé comme une « sirène standard »14-18 (ce qui signifie que la distance absolue à la source peut être déterminée directement à partir des mesures d'ondes gravitationnelles) pour mesurer la constante de Hubble. Cette quantité représente le taux d'expansion locale de l'Univers, définit l'échelle globale de l'Univers et est d'une importance fondamentale pour la cosmologie. Nous rapportons ici une mesure de la constante de Hubble qui combine la distance à la source déduite purement du signal d'onde gravitationnelle avec la vitesse de récession déduite des mesures du décalage vers le rouge en utilisant les données électromagnétiques. Contrairement aux mesures précédentes, les nôtres ne nécessitent pas l'utilisation d'une « échelle de distance » cosmique19 : l'analyse des ondes gravitationnelles peut être utilisée pour estimer la distance de luminosité à des échelles cosmologiques directement, sans utiliser de mesures de distance astronomiques intermédiaires. Nous déterminons que la constante de Hubble est d'environ 70 kilomètres par seconde par mégaparsec. Cette valeur est cohérente avec les mesures existantes20,21, tout en étant totalement indépendante d'elles. Des mesures de sirène standard supplémentaires à partir de futures sources d'ondes gravitationnelles permettront de contraindre la constante de Hubble à une haute précision.

AB - Le 17 août 2017, les détecteurs Advanced LIGO1 et Virgo2 ont observé l'événement d'ondes gravitationnelles GW170817, un signal fort issu de la fusion d'un système binaire à neutrons et d'étoiles3. Moins de deux secondes après la fusion, un sursaut de rayons γ (GRB 170817A) a été détecté dans une région du ciel compatible avec l'emplacement dérivé de LIGO-Virgo de la source d'ondes gravitationnelles4-6. Cette région du ciel a ensuite été observée par des installations d'astronomie optique7, entraînant l'identification8-13 d'un signal optique transitoire à une dizaine de secondes d'arc de la galaxie NGC 4993. Cette détection de GW170817 à la fois dans les ondes gravitationnelles et les ondes électromagnétiques représente le premier ' observation astronomique. De telles observations permettent à GW170817 d'être utilisé comme une « sirène standard »14-18 (ce qui signifie que la distance absolue à la source peut être déterminée directement à partir des mesures d'ondes gravitationnelles) pour mesurer la constante de Hubble. Cette quantité représente le taux d'expansion locale de l'Univers, définit l'échelle globale de l'Univers et est d'une importance fondamentale pour la cosmologie. Nous rapportons ici une mesure de la constante de Hubble qui combine la distance à la source déduite purement du signal d'onde gravitationnelle avec la vitesse de récession déduite des mesures du décalage vers le rouge en utilisant les données électromagnétiques. Contrairement aux mesures précédentes, les nôtres ne nécessitent pas l'utilisation d'une « échelle de distance » cosmique19 : l'analyse des ondes gravitationnelles peut être utilisée pour estimer la distance de luminosité à des échelles cosmologiques directement, sans utiliser de mesures de distance astronomiques intermédiaires. Nous déterminons que la constante de Hubble est d'environ 70 kilomètres par seconde par mégaparsec. Cette valeur est cohérente avec les mesures existantes20,21, tout en étant totalement indépendante d'elles. Des mesures de sirène standard supplémentaires à partir de futures sources d'ondes gravitationnelles permettront de contraindre la constante de Hubble à une haute précision.


Les astronomes ont déterminé la valeur réelle de la constante de Hubble

En août 2017, deux étoiles à neutrons ont été impliquées dans un impact. Les astronomes ont observé de près la collision tout autour du globe. Récemment, les experts ont pu utiliser les données recueillies lors de cet événement pour affiner la constante de Hubble, l'une des caractéristiques essentielles de l'univers.

Les scientifiques ont calculé la constante de Hubble

La constante de Hubble est la valeur qui représente la vitesse à laquelle l'univers s'étend. Cependant, tout au long de l'histoire de l'observation spatiale, les mesures ont parfois montré des écarts, et les scientifiques n'ont pas été en mesure de trouver une explication.
Le satellite Planck a recueilli des données indiquant que la constante de Hubble devrait être de 67,4 kilomètres par seconde par mégaparsec.

Une autre façon de le mesurer est d'étudier les nébuleuses laissées après la mort des étoiles de supernovae de type Ia. Cette méthode a été utilisée récemment pour mesurer la constante de Hubble et a montré un résultat de 72,78 kilomètres par seconde par mégaparsec. Une approche plus récente utilise la luminosité des étoiles variables céphéides pour calculer la distance. Encore une fois, la constante de Hubble montre une valeur différente, suggérant un taux d'expansion encore plus rapide.

Les scientifiques ont étudié les mouvements de 70 variables céphéides qui ont renvoyé le résultat de 74,03 kilomètres par seconde par mégaparsec. Comme nous pouvons le voir, mesurer la constante de Hubble est tout un dilemme. Heureusement, la collision des deux étoiles à neutrons a offert aux scientifiques une nouvelle tentative pour obtenir le bon résultat.

Hubble Constant révélé grâce à une collision d'étoiles à neutrons

The event, named GW170817, allowed astronomers to observe a collision between two neutron stars, taking into consideration multiple perspectives like gravitational wave astronomy, optical astronomy, and radio astronomy. According to experts, neutron stars collisions usually emit a large amount of energy. The two massive neutron stars whip around each other at unimaginable speeds, producing an enormous blast.

“This burst of gravitational waves can be used as a ‘standard siren’: based on the shape of the gravitational wave signal, we can tell how ‘bright’ the event should have been in gravitational waves. We can then take how bright the event was actually seen to be, and work out what the distance must have been.”

However, astronomers can only achieve this if they know the orientation of the event, which requires more data. Using the data collected during the collision, scientists were able to calculate the direction of the stars, which allowed them to determine the precise distance. The collision took place in a galaxy 130 million light-years away. Using this knowledge, the team was able to figure out the correct value of the Hubble Constant, which is 70.3 kilometers per second per megaparsec.

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Gravitational waves will settle cosmic conundrum

When neutron stars collide, they emit light and gravitational waves, as seen in this artist's illustration. By comparing the timing of the two emissions from many different neutron star mergers, researchers can measure how fast the universe is expanding. Credit: R. Hurt/Caltech-JPL

The cosmos has been expanding for 13.8 billion years. Its present rate of expansion, known as “the Hubble constant,” gives the time elapsed since the Big Bang.

However, the two best methods used to measure the Hubble constant have conflicting results, which suggests that our understanding of the structure and history of the universe–the “standard cosmological model”–may be incorrect.

The study, published today in Lettres d'examen physique, shows how new independent data from gravitational waves emitted by binary neutron stars called “standard sirens” will break the deadlock between the conflicting measurements once and for all.

“We've calculated that by observing 50 binary neutron stars over the next decade, we will have sufficient gravitational wave data to independently determine the best measurement of the Hubble constant,” said lead author Dr. Stephen Feeney of the Center for Computational Astrophysics at the Flatiron Institute in New York City. “We should be able to detect enough mergers to answer this question within five to 10 years.”

The Hubble constant, the product of work by Edwin Hubble and Georges Lemaître in the 1920s, is one of the most important numbers in cosmology. The constant “is essential for estimating the curvature of space and the age of the universe, as well as exploring its fate,” said study co-author UCL Professor of Physics & Astronomy Hiranya Peiris.

“We can measure the Hubble constant by using two methods–one observing Cepheid stars and supernovae in the local universe, and a second using measurements of cosmic background radiation from the early universe–but these methods don't give the same values, which means our standard cosmological model might be flawed.”

Feeney, Peiris and colleagues developed a universally applicable technique that calculates how gravitational wave data will resolve the issue.

Gravitational waves are emitted when binary neutron stars spiral toward each other before colliding in a bright flash of light that can be detected by telescopes. UCL researchers were involved in detecting the first light from a gravitational wave event in August 2017.

Binary neutron star events are rare, but they are invaluable in providing another route to track how the universe is expanding. The gravitational waves they emit cause ripples in space-time that can be detected by the Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO) and the Virgo experiments, giving a precise measurement of the system's distance from Earth.

By additionally detecting the light from the accompanying explosion, astronomers can determine the system's velocity, and hence calculate the Hubble constant using Hubble's law.

For this study, the researchers modelled how many such observations would be needed to resolve the issue of measuring the Hubble constant accurately.

“This in turn will lead to the most accurate picture of how the universe is expanding and help us improve the standard cosmological model,” concluded Professor Peiris.

The study involved researchers from the Flatiron Institute (USA), UCL, Stockholm University, Radboud University (The Netherlands), Imperial College London, and the University of Chicago. UCL's contribution was generously funded by the European Research Council.

ABOUT THE FLATIRON INSTITUTE

The Flatiron Institute is the research division of the Simons Foundation. Its mission is to advance scientific research through computational methods, including data analysis, theory, modelling, and simulation. The institute's Center for Computational Astrophysics creates new computational frameworks that allow scientists to analyze big astronomical datasets and to understand complex, multi-scale physics in a cosmological context.