Les astronomes identifient le bruit de fond des ondes gravitationnelles émis par les trous noirs grâce à une nouvelle technique de détection

Les astronomes le poursuivent depuis un quart de siècle : le bruit de fond émis par le tourbillon de gigantesques trous noirs a été identifié grâce à une technique inédite de détection des ondes gravitationnelles, qui ouvre “une nouvelle fenêtre sur l’Univers”.
Ces résultats, révélés jeudi, sont le fruit d’une vaste collaboration entre les plus grands radiotélescopes du monde. Ils ont réussi à capter cette vibration de l’Univers avec “la précision d’une horloge”, s’enthousiasment les auteurs des travaux publiés simultanément dans plusieurs revues scientifiques.
Prédites par Einstein en 1916 et détectées cent ans plus tard, les ondes gravitationnelles sont de minuscules déformations de l’espace-temps, similaires aux ondulations de l’eau à la surface d’un étang. Ces oscillations, qui se propagent à la vitesse de la lumière, sont générées par des événements cosmiques violents tels que la collision de deux trous noirs.
Bien qu’elles soient liées à des phénomènes massifs, leur signal est extrêmement ténu. En 2015, les détecteurs d’ondes gravitationnelles Ligo (États-Unis) et Virgo (Europe) ont révolutionné l’astrophysique en détectant le bref tremblement – moins d’une seconde – de collisions entre des trous noirs stellaires pesant une dizaine de fois la masse du Soleil.
Cette fois-ci, un signal beaucoup plus long dans le temps révèle un phénomène à plus grande échelle, capté par un réseau de radiotélescopes (d’Europe, d’Amérique du Nord, d’Inde, d’Australie et de Chine) du consortium International Puslar Timing Array (IPTA).
Il s’agit ici d’ondes gravitationnelles générées par des trous noirs pesant “de plusieurs millions à plusieurs milliards de fois la masse du Soleil”, selon Gilles Theureau, astronome à l’Observatoire de Paris-PSL, qui a coordonné les travaux du côté français.
Pour détecter ces ondes, les scientifiques ont utilisé un outil inédit : des pulsars dans la Voie lactée. Ces étoiles ont la particularité d’avoir une masse équivalente à celle du Soleil, comprimée dans une sphère d’une dizaine de kilomètres de diamètre.
Ces astres ultracompacts tournent rapidement sur eux-mêmes, jusqu’à 700 tours par seconde, précise le chercheur du CNRS. Cette rotation rapide produit un rayonnement magnétique aux pôles, semblable à des faisceaux de phares, détectable grâce aux ondes radio émises à basse fréquence.
À chaque tour, les pulsars émettent des “bips” extrêmement réguliers, ce qui en fait de “remarquables horloges naturelles”, explique Lucas Guillemot, du laboratoire de physique et de chimie de l’environnement et de l’espace (LPC2E) d’Orléans.
Les scientifiques ont répertorié des groupes de pulsars pour créer une “cartographie céleste” dans les méandres de l’espace-temps. Ils ont pu mesurer une infime perturbation dans leur régularité, avec des variations inférieures à un millionième de seconde sur plus de 20 ans, selon Antoine Petiteau, du Commissariat à l’énergie atomique (CEA).
Ces retards étaient corrélés, signe d’une “perturbation commune à tous les pulsars”, selon Gilles Theureau : la signature caractéristique des ondes gravitationnelles. “C’était un moment magique”, a déclaré Maura McLaughlin du réseau américain Pulsar Search Collaboratory lors d’une conférence de presse.
Quelle est la source de ces ondes ? L’hypothèse privilégiée pointe vers des couples de trous noirs supermassifs, chacun plus grand que notre système solaire, “prêts à se percuter”, explique Gilles Theureau.
Antoine Petiteau décrit deux géants qui “tournent l’un autour de l’autre avant de fusionner”, une danse qui génère des ondes gravitationnelles sur une période de plusieurs mois à plusieurs années.
Un bruit de fond continu que Michael Keith, du réseau européen EPTA (European Pulsing Timing Array), compare à un “restaurant bruyant avec beaucoup de gens qui parlent autour de vous”.
Les mesures ne permettent pas encore de dire si ce bruit indique la présence de quelques couples de trous noirs ou d’une population entière. Une autre hypothèse suggère une source aux premiers âges de l’Univers, lorsqu’il a connu une période d’inflation.
“Nous ouvrons une nouvelle fenêtre sur l’Univers”, se réjouit Gilles Theureau. “Nous ajoutons une nouvelle gamme de vecteurs d’information”, complémentaire aux recherches de Ligo et Virgo, qui opèrent sur des longueurs d’onde différentes, ajoute Antoine Petiteau. Cela pourrait notamment éclaircir le mystère de la formation des trous noirs supermassifs.
Cependant, des études plus approfondies sont nécessaires pour prétendre à une détection totalement fiable, espérée d’ici un an. Le critère absolu est que “la probabilité que cela se produise par hasard soit inférieure à une chance sur un million”, soulignent l’Observatoire de Paris, le CNRS, le CEA, ainsi que les universités d’Orléans et Paris Cité dans un communiqué.
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