Un groupe de scientifiques chinois a récemment trouvé des preuves clés de l’existence d’ondes gravitationnelles nanohertz, marquant une nouvelle ère dans la recherche sur les ondes gravitationnelles nanohertz. La recherche était basée sur des observations de synchronisation de pulsar effectuées avec le radiotélescope sphérique à ouverture de cinq cents mètres (FAST).
La recherche a été menée par la collaboration Chinese Pulsar Timing Array (CPTA), qui comprend des chercheurs des Observatoires astronomiques nationaux de l’Académie chinoise des sciences (NAOC) et d’autres instituts. Leurs conclusions ont été publiées en ligne le 28 juin dans la revue Recherche en astronomie et astrophysique (RAA).
D’autres collaborations internationales de réseaux de synchronisation de pulsars annonceront des résultats similaires le même jour.
L’accélération d’objets massifs perturbe l’espace-temps environnant et produit des « ondulations », c’est-à-dire des ondes gravitationnelles. Bien que ces signaux d’onde soient extrêmement faibles, ils offrent une méthode directe pour sonder des masses qui n’émettent pas de lumière. Pour cette raison, les astronomes cherchent depuis longtemps à utiliser les ondes gravitationnelles pour aider à comprendre la formation des structures de l’univers et à étudier la croissance, l’évolution et la fusion des objets célestes les plus massifs de l’univers, c’est-à-dire les trous noirs supermassifs. Ces recherches aideront également les physiciens à mieux comprendre les lois physiques fondamentales de l’espace-temps.
Des scientifiques chinois ont récemment trouvé des preuves clés de l’existence d’ondes gravitationnelles nanohertz, marquant une nouvelle ère dans la recherche gravitationnelle nanohertz. Crédit : CAS New Media Lab
Profitant de la haute sensibilité de FAST, l’équipe de recherche du CPTA a surveillé des pulsars de 57 millisecondes avec des cadences régulières pendant 41 mois. L’équipe a trouvé des preuves clés de signatures de corrélation quadripolaires compatibles avec la prédiction des ondes gravitationnelles nanohertz à un niveau de confiance statistique de 4,6 sigma (avec une probabilité de fausse alarme de deux sur un million).
L’équipe a utilisé des logiciels d’analyse de données et des algorithmes de traitement de données développés indépendamment pour réaliser sa percée en même temps que d’autres groupes internationaux. Des pipelines de traitement de données indépendants ont produit des résultats compatibles.
La durée de l’ensemble de données CPTA est relativement plus courte à l’heure actuelle. Cependant, en raison de la haute sensibilité du télescope FAST, le CPTA a atteint une sensibilité similaire à celle des autres PTA. Les futures observations étendront bientôt la portée des données du CPTA et aideront à identifier les sources astronomiques du signal actuel.
Les objets de plus grande masse produisent des ondes gravitationnelles de fréquence inférieure. Par exemple, le corps céleste le plus massif de l’univers, les binaires de trous noirs supermassifs (avec 100 millions à 100 milliards de fois la masse solaire) au centre des galaxies, génèrent principalement des ondes gravitationnelles dans la bande nanohertz, avec des échelles de temps de signal correspondantes de années à décennies. Cette bande de fréquences comprend également les contributions des ondes gravitationnelles des processus de l’univers primitif ainsi que des objets exotiques tels que les cordes cosmiques.
L’utilisation des ondes gravitationnelles nanohertz dans l’observation cosmique est donc extrêmement importante pour étudier les problèmes clés de l’astrophysique contemporaine tels que les trous noirs supermassifs, l’histoire des fusions de galaxies et la formation de structures à grande échelle dans l’univers.
La détection des ondes gravitationnelles nanohertz est cependant très difficile, en raison de leur fréquence extrêmement basse, où la période correspondante peut être aussi longue que plusieurs années et les longueurs d’onde jusqu’à plusieurs années-lumière. Jusqu’à présent, l’observation temporelle à long terme des pulsars millisecondes avec une stabilité rotationnelle extrême est la seule méthode connue pour détecter efficacement les ondes gravitationnelles nanohertz.
La chasse à ces ondes est l’un des axes majeurs de la physique et de l’astronomie actuelles. Les collaborations régionales sur les réseaux de synchronisation de pulsars, y compris l’Observatoire nord-américain des nanohertz pour les ondes gravitationnelles (NANOGrav), l’European Pulsar Timing Array (EPTA) et l’Australian Parkes Pulsar Timing Array (PPTA), collectent des données de synchronisation des pulsars depuis plus de 20 ans. , dans le but de détecter les ondes gravitationnelles nanohertz. Récemment, plusieurs nouvelles collaborations régionales ont également rejoint ce domaine, notamment le CPTA, l’India Pulsar Timing Array (InPTA) et le South Africa Pulsar Timing Array (SAPTA).
La sensibilité de détection des réseaux de synchronisation de pulsars aux ondes gravitationnelles nanohertz dépend fortement de la durée d’observation, c’est-à-dire que la sensibilité augmente rapidement avec l’augmentation de la durée d’observation. La durée d’observation actuelle du CPTA est plus courte, ce qui facilite l’augmentation efficace de la durée, par exemple, une observation pendant 41 mois supplémentaires doublera la durée.
À l’avenir, ces collaborations régionales favoriseront la collaboration internationale sur les réseaux de synchronisation de pulsars et élargiront l’exploration de l’univers grâce à des observations d’ondes gravitationnelles nanohertz.
Plus d’information:
Heng Xu et al, Recherche du fond d’onde gravitationnelle stochastique nano-hertz avec la publication de données I du réseau de synchronisation pulsar chinois, Recherche en astronomie et astrophysique (2023). DOI : 10.1088/1674-4527/acdfa5