Nouvelles méthodes en astronomie des ondes gravitationnelles

L'étude des Ondes gravitationnelles (OG) a ouvert de nouvelles façons d'observer l'univers. Un événement marquant a été la détection d'une onde gravitationnelle et d'une courte explosion gamma (sGRB) venant du même événement impliquant deux étoiles à neutrons. Cet événement a marqué le début d'une nouvelle branche en astronomie où les scientifiques peuvent utiliser des signaux provenant de différentes sources pour en apprendre davantage sur l'univers.

Dans cette approche, les chercheurs se penchent sur un groupe spécial d'étoiles binaires à neutrons (BNS) qui produisent des ondes gravitationnelles et des explosions gamma sans savoir de quelle galaxie elles proviennent. Ces sources peuvent être appelées des sirènes en retard. Le défi réside dans la mesure de deux choses clés : à quelle vitesse voyagent les ondes gravitationnelles et l'expansion de l'univers, plus précisément une valeur appelée la Constante de Hubble.

Les ondes gravitationnelles sont des ondulations dans l'espace-temps causées par des objets massifs comme des étoiles à neutrons ou des trous noirs qui fusionnent. Elles peuvent fournir des mesures de distance sans avoir besoin des méthodes astrophysiques traditionnelles. Toutefois, les chercheurs font face à un défi car les ondes gravitationnelles ne donnent pas directement d'informations sur la distance à la source. Donc, les scientifiques ont élaboré différentes méthodes pour estimer ces distances à travers divers types d'observations.

Une situation simple se présente lorsque les observateurs peuvent voir la lumière du même événement qui a causé les ondes gravitationnelles. C'était le cas de l'événement GW170817, où les deux signaux ont été détectés. Pour ces instances, les astronomes peuvent identifier la galaxie hôte et obtenir une mesure de décalage vers le rouge, ce qui donne des informations sur la distance. Cependant, un seul événement a été clairement lié à un signal lumineux détectable, alors que de nombreux événements d'ondes gravitationnelles proviennent de fusions de trous noirs, où aucun signal lumineux n'est visible.

L'étude des sirènes sombres, ou événements où aucun signal lumineux n'accompagne les ondes gravitationnelles, a conduit à diverses techniques pour estimer leurs distances. Une de ces méthodes implique d'utiliser la masse des étoiles à neutrons pour déduire leur distance en fonction de la façon dont leurs masses apparaissent à l'observateur. Cependant, cette technique a ses limites parce que la distribution exacte des masses des étoiles à neutrons reste incertaine.

Face à ces défis, une nouvelle méthode appelée "méthode du délai temporel prompt" a été proposée. Cette méthode vise à fournir un moyen indirect de mesurer le décalage vers le rouge des sources d'ondes gravitationnelles associées à de courtes explosions gamma, même lorsque la galaxie hôte est inconnue. C'est l'un des principaux objectifs de l'étude, qui explore comment les délais temporels entre l'émission d'ondes gravitationnelles et d'explosions gamma peuvent être utilisés pour dériver des paramètres cosmiques importants.

Les chercheurs décrivent l'expansion cosmique en utilisant un modèle spécifique, le reliant aux délais temporels observés entre les ondes gravitationnelles et les explosions gamma. Ils estiment comment mesurer la constante de Hubble et la vitesse des ondes gravitationnelles tout en gérant les incertitudes inhérentes à ces mesures.

L'article analyse également différents scénarios simulant d'éventuelles observations futures provenant de détecteurs d'ondes gravitationnelles. Ils considèrent deux types de détecteurs futurs : l'un attendu bientôt et un autre système plus avancé qui sera opérationnel plus tard. L'objectif est de comprendre combien d'observations d'événements d'ondes gravitationnelles et d'explosions gamma sont nécessaires pour faire des mesures précises de l'expansion cosmique et de la gravité.

En simulant ces observations, les chercheurs s'attendent à voir une variété de résultats pour les distances et les délais temporels entre les deux types de signaux. Ils illustrent comment cela pourrait mener à différentes estimations des paramètres cosmiques.

Pour fournir un contexte à leur méthode, les auteurs expliquent les relations entre l'expansion cosmique, le décalage vers le rouge (une mesure de combien l'univers s'est étendu) et les délais temporels entre les signaux. Ils illustrent comment utiliser un cadre statistique pour analyser ces relations et déduire des paramètres vitaux.

Dans leur cadre théorique, les chercheurs décrivent comment l'expansion cosmique est modélisée et comment la distance de luminosité interagit avec le décalage vers le rouge. Ils définissent un délai temporel comme la différence de temps entre le signal d'onde gravitationnelle et l'explosion gamma. Ce délai peut être positif si l'explosion gamma survient après les ondes gravitationnelles, ou négatif si elle se produit avant.

Comprendre ces délais temporels peut aider les chercheurs à déterminer à quelle vitesse les ondes gravitationnelles se propagent par rapport à la vitesse de la lumière. Ils incluent des graphiques pour montrer comment ces délais temporels observés pourraient varier avec le décalage vers le rouge et quelles implications cela a pour mesurer les distances cosmiques.

Les auteurs ont également créé des modèles d'événements possibles d'étoiles binaires à neutrons, qui incluent des caractéristiques comme leurs masses et les angles sous lesquels elles sont observées. Ils simulent comment ces événements peuvent être détectés par des détecteurs d'ondes gravitationnelles et comment les explosions gamma associées apparaîtraient.

En termes de détection, ils établissent des critères pour quand un événement peut être considéré comme "vu" en observant la force du signal et les caractéristiques des ondes gravitationnelles et des explosions. Cela implique aussi de prédire la probabilité de détecter de tels événements en fonction de certains modèles statistiques.

Au fur et à mesure que les auteurs simulent plus d'événements et collectent des données, ils évaluent combien ils peuvent estimer des paramètres comme la constante de Hubble et les caractéristiques de la distribution des délais temporels. Ils analysent comment la précision de leurs mesures s'améliore avec plus de données et de meilleures techniques d'observation.

Les résultats montrent une gamme de résultats potentiels basés sur le nombre de détections et les propriétés des événements. Ils illustrent comment, avec des détecteurs futurs, il pourrait être possible de mesurer la vitesse de la gravité et la distribution des délais temporels avec une précision supérieure à celle permise par les méthodes actuelles.

Les auteurs concluent que leur méthode proposée a le potentiel de créer des aperçus significatifs sur la nature de la gravité et l'expansion cosmique. Ils soulignent que même avec un nombre limité d'événements détectés, des mesures utiles peuvent encore être obtenues, ouvrant la voie à de futures études dans le domaine de l'astronomie multi-messagers.

Dans l'ensemble, les résultats suggèrent que cette nouvelle approche pourrait grandement informer notre compréhension du cosmos et des lois fondamentales qui le régissent. La recherche fournit une feuille de route pour de futures expériences et campagnes d'observation qui pourraient aider à percer les mystères de la gravité et de l'expansion de l'univers.