L’espace n’est pas un vide inerte : l’univers est constamment secoué par des ondes gravitationnelles, un « cri » et un « choeur perpétuel » encore plus forts que prévu. Ils sont les conclusions de quinze années d’observations menée par le North American Nanohertz Observatory for Gravitational Waves (NANOGrav). Il s’agit d’une initiative dans laquelle plus de 70 centres internationaux collaborent et travaillent avec trois grandes installations : l’Observatoire d’Arecibo à Porto Rico, le télescope Green Bank en Virginie-Occidentale et le Jansky Very Large Array au Nouveau-Mexique.
Les ondes gravitationnelles sont des oscillations provoquées par certains des phénomènes les plus puissants de l’univers, tels que les collisions d’étoiles massives ou l’approche et la fusion de trous noirs. Ils sont, de plus, La « dernière découverte » d’Albert Einsteinqui a anticipé son existence en 1916 en démontrant que des objets massifs accélérés devaient déformer l’espace-temps sous la forme d’un rayonnement gravitationnel, comme les « ondulations » provoquées dans un étang en jetant une pierre loin de la source d’origine.
« Le mouvement des grandes masses crée ces petites déformations dans le tissu de l’espace-temps qui se propagent à la vitesse de la lumière », explique Rafael Bachiller, directeur de l’Observatoire astronomique national et de l’Observatoire royal de Madrid, et lauréat du prix 2023 de la Fondation CSIC-BBVA pour la communication scientifique. Détecter ces ondes est un défi de taille, car la gravité est une force très faible dans l’univers dont les oscillations sont à peine perceptibles. « C’est un phénomène très subtil. Pour que ces ondes soient appréciables, il faut recourir à de très grosses masses en mouvement, comme les trous noirs. »
[Nuevo hito del telescopio James Webb: observa los alrededores de agujeros negros masivos]
La confirmation de la prédiction d’Einstein est venue précisément un siècle plus tard, en 2015. Les premières ondes gravitationnelles enregistrées étaient celles produites « pendant la dernière fraction de seconde de la fusion de deux trous noirs pour produire un seul trou noir plus massif en rotation, El Cultural a ensuite collecté. Désormais, « les ondes gravitationnelles issues des collisions de trous noirs ou d’étoiles à neutrons sont détectées quotidiennement », explique Bachiller, fruit de décennies d’efforts de nombreux grands physiciens.
« L’univers est très, très grand, donc des collisions entre des corps massifs tels que des étoiles à neutrons et des trous noirs se produisent constamment. Ceux-ci créent un fond d’émission gravitationnelle qui remplit l’espace, et qu’il faut soustraire lors de la détection des ondes primordiales. C’est comme si la rumeur qu’on pourrait entendre venir d’une foule est une scène qui nous masquerait un musique légère jouant en arrière-planà un volume très faible », explique l’astronome.
La percée que NANOGrav apporte maintenant au public n’est pas seulement la description de ce refrain, mais la détection de sa note la plus forte. Jusqu’à présent, les interféromètres terrestres tels que LIGO et Virgo ont été capables de détecter des ondes à haute fréquence, mais la «rumeur» décrite par NANOGrav implique un fond gravitationnel d’ondes à basse fréquence. Certains sont si massifs que la distance entre deux crêtes de sa longueur d’onde est de plusieurs dizaines d’années-lumière.
Le réseau d’antennes du Nouveau-Mexique qui a collaboré à la découverte. NRAO/AUI/NSF
La recherche du Big Bang
Le gain est important, sous la forme d’informations pour les astrophysiciens, telles que la masse et la distance des objets, les mécanismes physiques derrière eux et les raisons de l’effondrement. Le « jackpot », cependant, serait de détecter les ondes correspondant à la naissance de l’univers et qui « doivent encore résonner dans tout l’espace »dit Bachiller, mais ils sont « blindés » par le puissant « bruit gravitationnel » produit par d’autres phénomènes.
« Ces premières vagues sont les seul moyen de diagnostic dans l’univers plus primitives auxquelles nous pouvons aspirer », poursuit-il. « Leur détection peut nous fournir des indices sur leur composition en termes de composants et de processus, y compris la matière ordinaire, la matière noire et l’énergie noire. En utilisant les ondes électromagnétiques, nous pouvons nous approcher jusqu’à 400 000 ans après le Big Bang, mais avec les ondes gravitationnelles, nous pourrions nous en approcher en une infime fraction de seconde. »
En 2017, les astrophysiciens responsables de la détection des ondes gravitationnelles ont reçu le prix Nobel de physique et le prix Princesse des Asturies pour la recherche. « Maintenant nous avons une toute nouvelle façon de voir le ciel à travers les interactions gravitationnelles et l’ensemble des interactions électromagnétiques », a expliqué Barry Barish à D+I, récompensé avec Rainer Weiss et Kip S. Thorne. « Tout ce que nous savons après 400 ans sur l’univers vient de ces phénomènes et maintenant nous pouvons le prouver . »
Bachiller est catégorique : « La prochaine grande avancée doit venir de la détection de ondes primordiales. Pour cela, de nouvelles techniques de détection ont été développées, comme l’utilisation de radiotélescopes pour mesurer l’effet que ces ondes très faibles peuvent avoir sur la propagation des émissions radiofréquences des pulsars », conclut-il.
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