Lorsque des trous noirs et d’autres objets extrêmement massifs et denses tourbillonnent les uns autour des autres, ils émettent des ondulations dans l’espace et le temps appelées ondes gravitationnelles. Ces ondes sont l’un des rares moyens dont nous disposons pour étudier les géantes cosmiques énigmatiques qui les créent.
Les astronomes ont observé les « gazouillis » à haute fréquence des trous noirs en collision, mais le grondement à ultra basse fréquence des trous noirs supermassifs en orbite les uns contre les autres s’est avéré plus difficile à détecter. Depuis des décennies, nous observons des pulsars, un type d’étoile qui pulse comme un phare, à la recherche du faible ondulation de ces ondes.
Aujourd’hui, les collaborations de recherche sur les pulsars à travers le monde, y compris la nôtre, la Tableau de synchronisation Parkes Pulsar— ont annoncé leur la preuve la plus solide à ce jour pour l’existence de ces ondes.
Que sont les ondes gravitationnelles ?
En 1915, le physicien d’origine allemande Albert Einstein a présenté un aperçu révolutionnaire de la nature de la gravité : la théorie de la relativité générale.
La théorie décrit l’univers comme un « tissu » à quatre dimensions appelé espace-temps qui peut s’étirer, se comprimer, se plier et se tordre. Les objets massifs déforment ce tissu pour donner naissance à la gravité.
Une conséquence curieuse de la théorie est que le mouvement des objets massifs devrait produire des ondulations dans ce tissu, appelées ondes gravitationnelles, qui se propagent à la vitesse de la lumière.
Il faut une énorme quantité d’énergie pour créer la plus infime de ces ondulations. Pour cette raison, Einstein était convaincu que les ondes gravitationnelles ne seraient jamais directement observées.
Un siècle plus tard, des chercheurs des collaborations LIGO et Virgo ont été témoins de la collision de deux trous noirs, qui a envoyé une rafale d’ondes gravitationnelles dans tout l’univers.
Maintenant, sept ans après cette découverte, des radioastronomes d’Australie, de Chine, d’Europe, d’Inde et d’Amérique du Nord ont trouvé des preuves d’ondes gravitationnelles à ultra-basse fréquence.
Un lent grondement d’ondes gravitationnelles
Contrairement à la soudaine explosion d’ondes gravitationnelles signalée en 2016, ces ondes gravitationnelles ultra-basse fréquence mettent des années, voire des décennies, à osciller.
On s’attend à ce qu’ils soient produits par des paires de trous noirs supermassifs, en orbite autour du cœur de galaxies lointaines dans tout l’univers. Pour trouver ces ondes gravitationnelles, les scientifiques auraient besoin de construire un détecteur de la taille d’une galaxie.
Ou nous pouvons utiliser des pulsars, qui sont déjà répandus dans la galaxie, et dont les impulsions arrivent à nos télescopes avec la régularité d’horloges précises.
le radiotélescope Parkes du CSIRO, Murriyang, observe un réseau de ces pulsars depuis près de deux décennies. Notre Tableau de synchronisation Parkes Pulsar équipe est l’une des nombreuses collaborations à travers le monde qui ont annoncé aujourd’hui indices d’ondes gravitationnelles dans leurs derniers ensembles de données.
D’autres collaborations en Chine (CPTA), en Europe et en Inde (EPTA et InPTA) et en Amérique du Nord (NANOGrav) voient des signaux similaires.
Le signal que nous recherchons est un « océan » aléatoire d’ondes gravitationnelles produites par toutes les paires de trous noirs supermassifs de l’univers.
L’observation de ces ondes n’est pas seulement un autre triomphe de la théorie d’Einstein, mais a des conséquences importantes pour notre compréhension de l’histoire des galaxies dans l’univers. Les trous noirs supermassifs sont les moteurs au cœur des galaxies qui se nourrissent de gaz et régulent la formation des étoiles.
Le signal apparaît comme un grondement basse fréquence, commun à tous les pulsars du réseau. Lorsque les ondes gravitationnelles balayent la Terre, elles affectent les taux de rotation apparents des pulsars.
L’étirement et la compression de notre galaxie par ces ondes modifient finalement les distances aux pulsars de quelques dizaines de mètres seulement. Ce n’est pas beaucoup quand les pulsars sont généralement à environ 1 000 années-lumière (c’est-à-dire environ 10 000 000 000 000 000 000 mètres).
Remarquablement, nous pouvons observer ces changements dans l’espace-temps sous la forme de retards de l’ordre de la nanoseconde dans les impulsions, que les radioastronomes peuvent suivre avec une relative facilité car les pulsars sont des horloges naturelles si stables.
Qu’est-ce qui a été annoncé ?
Étant donné que les ondes gravitationnelles à ultra-basse fréquence mettent des années à osciller, le signal devrait émerger lentement.
Tout d’abord, les radioastronomes ont observé une grondement commun dans les pulsars, mais son origine était inconnue.
Maintenant, l’empreinte digitale unique des ondes gravitationnelles commence à apparaître comme un attribut de ce signal, observé par chacune des collaborations de réseaux de synchronisation de pulsars dans le monde.
Cette empreinte décrit une relation particulière entre la similarité des retards d’impulsions et l’angle de séparation entre les paires de pulsars dans le ciel.
La relation survient parce que l’espace-temps sur Terre est étiré, modifiant les distances aux pulsars d’une manière qui dépend de leur direction. Les pulsars rapprochés dans le ciel montrent un signal plus similaire que les pulsars séparés à angle droit, par exemple.
Cette percée a été rendue possible par l’amélioration de la technologie dans nos observatoires. Le Parkes Pulsar Timing Array possède le plus long ensemble de données de haute qualité, grâce à la technologie avancée de récepteur et de traitement du signal installée sur Murriyang. Cette technologie a permis au télescope de découvrir bon nombre des meilleurs pulsars utilisés par des collaborations du monde entier pour les recherches d’ondes gravitationnelles.
Des résultats antérieurs de notre collaboration et d’autres ont montré que le signal attendu des ondes gravitationnelles manquait dans les observations de pulsars.
Maintenant, nous semblons voir le signal avec une clarté relative. En segmentant notre long ensemble de données en « tranches de temps » plus courtes, nous montrons que le signal semble croître avec le temps. La cause sous-jacente de cette observation est inconnue, mais il se peut que les ondes gravitationnelles se comportent de manière inattendue.
Les nouvelles preuves des ondes gravitationnelles à ultra-basse fréquence sont passionnantes pour les astronomes. Pour confirmer ces signatures, les collaborations mondiales devront combiner leurs ensembles de données, ce qui augmente considérablement leur sensibilité aux ondes gravitationnelles.
Des efforts pour produire cet ensemble de données combinées sont actuellement en cours dans le cadre du Réseau international de synchronisation des pulsars projet, dont les membres se sont réunis à Port Douglas dans l’extrême nord du Queensland la semaine dernière. Les futurs observatoires, comme le Square Kilometre Array en construction en Australie et en Afrique du Sud, transformeront ces études en une riche source de connaissances sur l’histoire de notre univers.
Cet article est republié de La conversation sous licence Creative Commons. Lis le article original.