Des trous noirs supermassifs coalescents au centre de galaxies en fusion remplissent l’univers d’ondes gravitationnelles à basse fréquence. Les astronomes ont recherché ces ondes en utilisant de grands radiotélescopes pour rechercher l’effet subtil que ces ondulations de l’espace-temps ont sur les ondes radio émises par les pulsars dans notre galaxie. Maintenant, une équipe internationale de scientifiques a montré que la lumière à haute énergie collectée par le télescope spatial à rayons gamma Fermi de la NASA peut également être utilisée dans la recherche. L’utilisation de rayons gamma au lieu d’ondes radio donne une vue plus claire des pulsars et fournit un moyen indépendant et complémentaire de détecter les ondes gravitationnelles.
Les découvertes d’une équipe internationale de scientifiques comprenant Aditya Parthasarathy et Michael Kramer de l’Institut Max Planck de radioastronomie à Bonn, en Allemagne, sont publiées dans Science cette semaine.
Une mer d’ondes gravitationnelles
Au cœur de la plupart des galaxies – des collections de centaines de milliards d’étoiles comme notre propre Voie lactée – se trouve un trou noir supermassif. Les galaxies sont attirées les unes vers les autres par leur immense gravitation et, lorsqu’elles fusionnent, leurs trous noirs coulent vers le nouveau centre. Au fur et à mesure que les trous noirs se dirigent vers l’intérieur et fusionnent, ils créent de longues ondes gravitationnelles qui s’étendent sur des centaines de billions de kilomètres entre les crêtes des vagues. L’univers est plein de ces trous noirs supermassifs fusionnés, et ils le remplissent d’une mer d’ondulations de l’espace-temps à basse fréquence.
Les astronomes recherchent ces ondes depuis des décennies en observant les impulsions des pulsars, les restes denses d’étoiles massives. Les pulsars tournent avec une extrême régularité et les astronomes savent exactement quand s’attendre à chaque impulsion. La mer d’ondes gravitationnelles, cependant, se modifie subtilement lorsque les impulsions arrivent sur la Terre, et la surveillance précise de nombreux pulsars à travers le ciel peut révéler sa présence. Les recherches précédentes de ces ondes ont exclusivement utilisé de grands radiotélescopes, qui collectent et analysent les ondes radio. Mais maintenant, une équipe internationale de scientifiques a recherché ces variations infimes sur plus de dix ans de données collectées avec le télescope spatial à rayons gamma Fermi de la NASA, et leur analyse montre que la détection de ces ondes peut être possible avec seulement quelques années d’observations supplémentaires.
« Fermi étudie l’univers dans les rayons gamma, la forme de lumière la plus énergétique. Nous avons été surpris de voir à quel point il est efficace pour trouver les types de pulsars dont nous avons besoin pour rechercher ces ondes gravitationnelles – plus de 100 jusqu’à présent », a déclaré Matthew Kerr. , chercheur en physique au US Naval Research Laboratory à Washington. « Les rayons de Fermi et gamma ont des caractéristiques particulières qui, ensemble, en font un outil très puissant dans cette enquête. »
Les résultats de l’étude, codirigée par Kerr et Aditya Parthasarathy, chercheur à l’Institut Max Planck de radioastronomie (MPIfR) à Bonn, en Allemagne, ont été publiés dans le numéro d’avril 07 de Science.
Horloges cosmiques
La lumière prend plusieurs formes. Les ondes radio à basse fréquence peuvent traverser certains objets, tandis que les rayons gamma à haute fréquence explosent en pluies de particules énergétiques lorsqu’ils rencontrent la matière. Les ondes gravitationnelles couvrent également un large spectre, et les objets plus massifs ont tendance à générer des ondes plus longues.
Il est impossible de construire un détecteur suffisamment grand pour détecter les ondes d’un billion de kilomètres alimentées par la fusion de trous noirs supermassifs, de sorte que les astronomes utilisent des détecteurs naturels appelés réseaux de synchronisation de pulsars. Ce sont des collections de pulsars millisecondes qui brillent à la fois dans les ondes radio et les rayons gamma et qui tournent des centaines de fois par seconde. Comme les phares, ces faisceaux de rayonnement semblent pulser régulièrement lorsqu’ils balayent la terre, et lorsqu’ils traversent la mer d’ondes gravitationnelles, ils sont imprimés du faible grondement de trous noirs massifs et lointains.
Cette visualisation montre les ondes gravitationnelles émises par deux trous noirs de masse presque égale alors qu’ils tournent l’un autour de l’autre. Les ondulations orange représentent les distorsions de l’espace-temps causées par les masses en orbite rapide. Ces distorsions s’étalent et s’affaiblissent, devenant finalement des ondes gravitationnelles (violet). Cette simulation a été réalisée sur le supercalculateur Pléiades du centre de recherche Ames de la NASA. Crédit : NASA/Bernard J. Kelly (Goddard et Univ. of Maryland Baltimore County), Chris Henze (Ames) et Tim Sandstrom (CSC Government Solutions LLC)
Une sonde unique
Les pulsars ont été découverts à l’origine à l’aide de radiotélescopes, et des expériences de réseau de synchronisation de pulsars avec des radiotélescopes fonctionnent depuis près de deux décennies. Ces grandes paraboles offrent la plus grande sensibilité aux effets des ondes gravitationnelles, mais les effets interstellaires compliquent l’analyse des données radio. L’espace est essentiellement vide, mais en traversant la vaste distance entre un pulsar et la terre, les ondes radio rencontrent encore de nombreux électrons. De la même manière qu’un prisme courbe la lumière visible, les électrons interstellaires courbent les ondes radio et modifient leur heure d’arrivée. Les rayons gamma énergétiques ne sont pas affectés de cette manière, ils fournissent donc une méthode complémentaire et indépendante de synchronisation des pulsars.
« Les résultats de Fermi sont déjà 30% aussi bons que les réseaux de synchronisation des pulsars radio lorsqu’il s’agit de détecter potentiellement le fond des ondes gravitationnelles », a déclaré Parthasarathy. « Avec cinq autres années de collecte et d’analyse de données sur les pulsars, il sera tout aussi capable avec l’avantage supplémentaire de ne pas avoir à se soucier de tous ces électrons parasites. »
Un réseau de synchronisation de pulsars à rayons gamma, non envisagé avant le lancement de Fermi, représente une nouvelle capacité puissante en astrophysique des ondes gravitationnelles.
« Détecter le fond des ondes gravitationnelles avec des pulsars est à portée de main mais reste difficile. Une méthode indépendante, présentée ici de manière inattendue via Fermi, est une excellente nouvelle, à la fois pour confirmer les découvertes futures et pour démontrer ses synergies avec les expériences radio », conclut Michael Kramer, directeur de le MPIfR et responsable de son département de recherche Physique Fondamentale en Radioastronomie.
Un réseau de synchronisation de pulsars à rayons gamma contraint le fond d’onde gravitationnelle nanohertz, Science (2022). DOI : 10.1126/science.abm3231. www.science.org/doi/10.1126/science.abm3231