observer, pour la première fois, le fond cosmique des ondes gravitationnelles

La découverte tant attendue, qui est publiée ce jeudi dans ‘Les lettres du journal astrophysique‘, a été réalisée par des chercheurs du North American Gravitational Wave Nanohertz Observatory (NANOGrav), auquel participent des experts de 70 institutions différentes. Pour y parvenir, les scientifiques ont eu recours à “l’astuce” consistant à utiliser les pulsars comme s’il s’agissait de métronomes célestes. Les pulsars sont un type de cadavre stellaire qui tourne très rapidement sur son axe (des centaines voire des milliers de fois par seconde), émettant une « impulsion » radio (d’où son nom) à chaque tour, un « tic tac » plus précis que cela. d’une horloge atomique.

En comparant les taux de tic-tac de 67 pulsars répartis dans notre galaxie, les scientifiques ont découvert que, sur les 15 années de données disponibles, leur cadence présentait de légères variations. L’équipe NANOGrav a montré que ces variations étaient dues au passage d’ondes gravitationnelles basse fréquence, qui déforment le tissu sur lequel repose la réalité physique, la espace-temps. En fait, c’est l’étirement et la compression de l’espace entre la Terre et les pulsars eux-mêmes qui font que leur tic-tac arrive sur Terre des milliardièmes de seconde plus tôt ou plus tard que prévu.

Ces résultats constituent la première preuve de l’arrière-plan des ondes gravitationnelles, une sorte de “soupe” de distorsions de l’espace-temps qui imprègne tout l’Univers et qui a été prédite il y a des décennies par les scientifiques.

Le plus puissant détecté à ce jour

Les ondes gravitationnelles détectées de cette manière sont de loin les plus puissantes jamais mesurées, transportant environ un million de fois plus d’énergie que les rafales d’ondes gravitationnelles des fusions trou noir-étoile à neutrons détectées par des expériences telles que LIGO et Virgo.

L’existence des ondes gravitationnelles a été prédite pour la première fois par Albert Einstein en 1916, mais ils n’ont été observés pour la première fois qu’en 2015, lorsque l’Observatoire d’ondes gravitationnelles à interféromètre laser (LIGO) a détecté des ondulations dans l’espace-temps traversant la Terre. Bien que la source de ces ondes gravitationnelles soit une collision de deux trous noirs distants, la distorsion spatiale résultante détectée par LIGO était plus petite que le noyau d’un atome.

En comparaison, le décalage temporel apparent dans le tic-tac des pulsars mesuré par l’équipe NANOGrav est de quelques centaines de billionièmes de seconde, mais il représente une flexion de l’espace-temps entre la Terre et les pulsars équivalente à la longueur d’un terrain de football. Ces distorsions, expliquent les scientifiques, ont été causées par des ondes gravitationnelles si immenses que la distance entre deux crêtes est de 2 à 10 années-lumière, soit environ 9 à 90 billions de kilomètres. Selon les chercheurs, il est tout à fait possible que la plupart de ces ondes gravitationnelles géantes soient produites par des paires de trous noirs supermassifs en orbite autour, entraînant des collisions cataclysmiques dans tout l’Univers.

“C’est comme un chœur, avec toutes ces paires de trous noirs supermassifs qui résonnent à différentes fréquences”, explique Chiara Mingarelli, chercheuse au NANOGrav. C’est la première preuve que nous avons du fond des ondes gravitationnelles. Nous avons ouvert une nouvelle fenêtre d’observation de l’Univers ».

Un trésor de nouvelles connaissances

La première détection du fond des ondes gravitationnelles ouvre les portes d’un véritable trésor de nouvelles connaissances et promet des réponses à des questions de longue date, du sort des paires de trous noirs supermassifs à la fréquence des fusions de galaxies. Pour l’instant, cependant, NANOGrav ne peut mesurer que le fond général des ondes gravitationnelles, mais ne peut pas distinguer les sources qui le composent une par une. Et pourtant, les scientifiques ont eu plus d’une surprise.

“Le fond des ondes gravitationnelles”, dit Mingarelli, “est environ deux fois plus fort que prévu. C’est vraiment au sommet de ce que nos modèles peuvent créer à partir de trous noirs supermassifs.” Ce “volume assourdissant” pourrait être le résultat des limites de l’expérience elle-même, ou peut-être de l’existence de trous noirs supermassifs plus lourds et plus abondants qu’on ne le pensait auparavant. Mais il y a aussi la possibilité que “quelque chose d’autre” génère de puissantes ondes gravitationnelles, dit Mingarelli, comme les mécanismes prédits par la théorie des cordes ou même une explication alternative de l’origine de l’Univers. «Ce qui vient maintenant -dit le scientifique- est tout. Ce n’est que le début”.

Un défi d’années

Arriver à cette découverte a été un défi de plusieurs années pour l’équipe de NANOGrav. Les ondes gravitationnelles qu’ils ont observées, en fait, sont assez différentes de tout ce qui a été mesuré auparavant. Par exemple, contrairement aux ondes à haute fréquence détectées par des instruments au sol tels que LIGO et Virgo, le fond d’ondes gravitationnelles est constitué d’ondes à ultra-basse fréquence. Ce qui signifie qu’une seule «montée et chute» de l’une des vagues de la vague pourrait prendre des années, voire des décennies, à se produire. Et comme les ondes gravitationnelles se déplacent à la vitesse de la lumière, cela signifie que la distance entre deux crêtes peut atteindre des dizaines d’années-lumière.

Il est devenu plus qu’évident qu’aucune expérience sur Terre n’est capable de détecter des ondes aussi colossales, l’équipe de NANOGrav a donc dû se tourner vers les étoiles. Ce qu’ils ont fait, c’est examiner de près les pulsars, les restes ultra-denses d’étoiles massives qui ont explosé en supernovae. Les pulsars agissent comme de véritables balises stellaires, lançant des faisceaux d’ondes radio depuis leurs pôles magnétiques. Alors que les pulsars tournent rapidement (parfois des centaines ou des milliers de fois par seconde), ces rayons balayent le ciel, apparaissant, à notre point de vue sur Terre, comme des impulsions rythmiques d’ondes radio.

Ces impulsions arrivent sur Terre parfaitement synchronisées. La précision est telle que lorsque Jocelyn Bell a mesuré les premières ondes radio du pulsar en 1967, les astronomes ont même pensé qu’elles pourraient être les signes d’une civilisation extraterrestre.

Mais lorsqu’une onde gravitationnelle passe entre nous et un pulsar, elle perturbe le rythme des ondes radio. C’est-à-dire qu’il ‘hors du temps’ le tic-tac toujours régulier du pulsar. Cependant, ce n’est qu’une illusion. En réalité, le pulsar est toujours aussi précis, mais comme les ondes gravitationnelles étirent et compriment l’espace en se propageant dans le cosmos, elles modifient la distance que les ondes radio doivent parcourir pour nous atteindre. Et à nos yeux il y a un décalage par rapport à ce qui est attendu.

À la recherche de ces décalages qui révéleraient le passage d’ondes gravitationnelles à basse fréquence, pendant 15 ans, les scientifiques de NANOGrav ont patiemment chronométré les impulsions d’ondes radio de dizaines de pulsars de millisecondes dans notre galaxie à l’aide de l’ancien observatoire d’Arecibo à Porto Rico. , le vert Bank Telescope en Virginie-Occidentale et le Very Large Array au Nouveau-Mexique. Les nouvelles découvertes sont le résultat d’une analyse détaillée d’un réseau de 67 de ces pulsars.

“En fait”, explique Maura McLaughlin de l’Université de Virginie-Occidentale et codirectrice du NANOGrav Physics Frontiers Center, “les pulsars sont des sources radio très faibles, nous avons donc besoin de milliers d’heures par an dans les plus grands télescopes du monde pour réaliser cette expérience. Ces résultats n’ont été possibles que grâce à l’engagement continu de la National Science Foundation (NSF) envers ces observatoires radio exceptionnellement sensibles.”

A la recherche des sources

Dès 2020, avec seulement 12 ans de données, les scientifiques de NANOGrav ont commencé à voir des indices d’un signal, un « bourdonnement » supplémentaire omniprésent, affectant la synchronisation de tous les pulsars du réseau. Et maintenant, trois ans d’observations plus tard, ils ont amassé suffisamment de preuves solides pour annoncer la découverte du fond des ondes gravitationnelles.

“Maintenant que nous avons des preuves de ce contexte”, explique Sarah Vigeland de l’Université du Wisconsin-Milwaukee, “la prochaine étape consiste à utiliser nos observations pour étudier une par une les sources qui produisent ce bourdonnement.”

Comme expliqué dans l’article, les sources les plus probables du fond d’ondes gravitationnelles sont des paires de trous noirs supermassifs piégés dans une spirale mortelle qui conduit à leur collision. Ces trous noirs sont vraiment colossaux et peuvent atteindre des masses équivalentes à des milliards de soleils. Et il s’avère que presque toutes les galaxies, y compris notre propre Voie lactée, ont au moins une de ces géantes en leur cœur. Lorsque deux galaxies fusionnent, leurs trous noirs supermassifs peuvent se rencontrer et commencer à orbiter l’un autour de l’autre. Et quand ils entrent finalement en collision, ils produisent les ondes gravitationnelles à basse fréquence actuellement captées par les scientifiques.

Cependant, toutes les ondes gravitationnelles détectées par NANOGrav ne proviennent pas nécessairement de paires de trous noirs supermassifs. En fait, il existe d’autres théories qui prédisent également les ondes dans la gamme des ultra-basses fréquences. La théorie des cordes, par exemple, prédit que des cordes cosmiques peuvent s’être formées dans l’univers primitif. Et ces cordes pourraient dissiper de l’énergie en émettant des ondes gravitationnelles.

Une autre idée à considérer suggère que l’Univers n’a pas commencé de nulle part avec un Big Bang, mais est plutôt venu d’un univers antérieur, qui s’est effondré sur lui-même avant de s’étendre vers l’extérieur dans un Big Bounce. Si cela était vrai, les ondes gravitationnelles de cet événement se propageraient encore dans l’espace-temps. Et ils pourraient faire partie du fond nouvellement détecté des ondes gravitationnelles.

Bien sûr, il est également possible que les pulsars ne soient pas les détecteurs d’ondes gravitationnelles parfaits que les scientifiques pensent qu’ils soient après tout, et qu’ils aient plutôt une variabilité inconnue qui fausse les résultats de NANOGrav. Malheureusement, dit Mingarelli, “nous ne pouvons pas monter jusqu’aux pulsars et les allumer et les éteindre à nouveau pour voir s’il y a une erreur.”

La seule solution, alors, est de continuer à chronométrer les pulsars pendant plus d’années, puis de vérifier si les résultats tiennent. En attendant, l’équipe de NANOGrav tentera de “massacrer” le fond d’ondes gravitationnelles nouvellement découvert pour découvrir quels sont tous les contributeurs possibles. Et ils sont plus que convaincus qu’il y aura des surprises.