La première détection d’ondes gravitationnelles (GW) par des chercheurs de l’Observatoire d’ondes gravitationnelles par interféromètre laser (LIGO) en 2015 a déclenché une révolution en astronomie. Ce phénomène consiste en des ondulations dans l’espace-temps causées par la fusion d’objets massifs et a été prédit un siècle auparavant par la théorie de la relativité générale d’Einstein. Dans les années à venir, ce domaine en plein essor va considérablement progresser grâce à la mise en place d’observatoires de nouvelle génération, comme l’Antenne Spatiale à Interféromètre Laser (LISA).
Avec une plus grande sensibilité, les astronomes pourront retracer les événements GW jusqu’à leur source et les utiliser pour sonder l’intérieur d’objets exotiques et les lois de la physique. Dans le cadre de son cycle de planification Voyage 2050, l’Agence spatiale européenne (ESA) envisage des thèmes de mission qui pourraient être prêts d’ici 2050, y compris l’astronomie GW. Dans un article récent, des chercheurs de la section d’analyse de mission de l’ESA et de l’Université de Glasgow ont présenté un nouveau concept qui s’appuierait sur LISA, connu sous le nom de LISAmax. Comme ils le rapportent, cet observatoire pourrait potentiellement améliorer la sensibilité de GW de deux ordres de grandeur.
La recherche a été dirigée par le Dr Waldemar Martens, physicien théorique, analyste de mission au Centre européen des opérations spatiales (ESOC) de l’ESA à Darmstadt, en Allemagne. Il a été rejoint par l’ingénieur aérospatial et astrophysicien Michael Khan, également analyste de missions à l’ESOC, et l’astrophysicien Dr Jean-Baptiste Bayle, chercheur en astronomie et astrophysique à l’Université de Glasgow. Le document qui décrit leurs découvertes est apparu en ligne sur le arXiv serveur de prépublication récemment et est actuellement en cours d’examen pour publication par la revue Gravité classique et quantique.
Depuis qu’ils ont été détectés pour la première fois par les scientifiques du LIGO en 2015, les chercheurs du LIGO et d’autres observatoires du monde entier ont affiné les types d’événements GW qu’ils peuvent détecter. Cela comprend l’observatoire de la Vierge en Italie (près de Pise) et le détecteur d’ondes gravitationnelles Kamioka (KAGRA) à Hida, au Japon. Ces observatoires se sont depuis associés à LIGO, formant la collaboration Ligo-Virgo-KAGRA (LVK). Les efforts de ces observatoires et d’autres, ainsi que les mises à niveau qui ont fourni une sensibilité accrue, ont multiplié le nombre d’événements détectés et ont même retracé certains jusqu’à leurs sources.
Comme le Dr Martens l’a dit à Universe Today par e-mail, ce travail de pionnier a été inestimable. Mais comme toutes les formes d’astronomie, les progrès futurs dépendent en partie de la présence d’observatoires dans l’espace :
« Maintenant qu’il ne fait aucun doute que les ondes gravitationnelles peuvent être mesurées, les astronomes veulent les utiliser comme source d’information supplémentaire là où auparavant seules les ondes électromagnétiques étaient disponibles. Les détecteurs terrestres, comme LIGO/Virgo/Kagra sont sensibles dans la gamme de fréquences de quelques dizaines de Hertz à plusieurs kilo-Hertz, ce qui les rend sensibles à des sources comme les fusions de trous noirs de quelques dizaines de masses solaires.
« Cependant, on sait que des objets beaucoup plus gros, comme des trous noirs super massifs (> 10 ^ 6 masses solaires), existent au centre des galaxies. Les fusions de ces objets produisent des ondes gravitationnelles bien en dessous de la bande sensible des détecteurs terrestres. . Pour les voir, nous devons aller dans l’espace et construire un observatoire, comme LISA, qui a une longueur de bras de 2,5 millions de km. »
Jusqu’à présent, les astronomes ont détecté des événements GW causés par des trous noirs binaires (BBH) ou des étoiles à neutrons binaires (événements kilonova), où les corps co-orbitants ont finalement fusionné. Il est également théorisé qu’il existe de nombreuses autres sources potentielles, et l’étude de ces événements pourrait faire progresser notre compréhension de l’Univers. « Parmi celles-ci figurent des ondes gravitationnelles primordiales qui ont été produites au cours de processus une fraction de seconde après le Big Bang », a déclaré le Dr Martens. « Nous espérons que LISA pourra les détecter, mais ce n’est pas encore clair. C’est l’une des raisons pour lesquelles des détecteurs avec une sensibilité plus élevée et/ou des bandes de fréquences différentes sont envisagés pour Voyage 2050. »
Le Voyager 2050 est le dernier cycle de planification à faire partie du programme scientifique de l’agence, la fondation et le principal « programme obligatoire » de l’Agence spatiale européenne. Tous les États membres doivent contribuer, et les objectifs scientifiques, les propositions et le financement sont sélectionnés par décision unanime. Ces cycles visent à fixer un horizon de financement à long terme qui permet aux États membres de planifier leurs priorités bien à l’avance et de fournir à la communauté scientifique européenne une vision claire des domaines de recherche qui méritent d’être investis et développés.
Depuis les années 1980, le programme est planifié avec des cycles d’environ 20 ans, cohérents avec le temps nécessaire à la préparation de missions spatiales ambitieuses. Le premier cycle de planification (Horizon 2000) a été établi en 1984 et consistait en des décisions qui ont conduit aux missions de l’Observatoire solaire et héliosphérique (SOHO), Cluster, Rosetta, XMM-Newton et Herschel du milieu des années 1990 au début du XXIe siècle. En 2005, un nouveau cycle de planification (Cosmic Vision) a été lancé, comprenant des propositions de missions qui seraient réalisées entre 2015 et 2025.
Cela a ouvert la voie à des missions telles que l’explorateur de lunes JUpiter ICy (JUICE) récemment lancé et l’observatoire à rayons X du télescope avancé pour l’astrophysique des hautes énergies (ATHENA) et les missions LISA dont le lancement est prévu dans les années 2030. Le cycle le plus récent, Voyage 2050, a été initié par la directrice scientifique de l’ESA, Carole Mundell, pour sélectionner des propriétés scientifiques pour assurer le suivi des missions ATHENA et LISA. Bien que ces missions changent la donne, en particulier en collaboration, le Dr Martens et ses collègues proposent des moyens d’améliorer davantage la mission LISA. Comme il l’a expliqué :
« L’idée de base de LISAmax est de détecter les GW à des fréquences encore plus basses que ce que LISA peut faire. Pour être sensible à ces fréquences, il faut augmenter les bras laser du détecteur. Des bras plus grands signifient des longueurs d’onde plus grandes et, par conséquent, des fréquences plus basses. Le trois engins spatiaux LISAmax sont placés à proximité des points de Lagrange triangulaires dans le système Soleil-Terre, ce qui donne au détecteur une longueur de bras de 259 millions de km. À titre de comparaison, les bras de LISA ont une longueur de 2,5 millions de km. Cela rend LISAmax sensible aux GW dans la bande micro-Hertz et ouvre une nouvelle fenêtre pour l’astronomie GW. »
« D’une manière générale, quelle que soit la source pouvant être mesurée par LISA en dessous de 1 mHz, elle peut être mesurée avec LISAmax à un rapport signal sur bruit supérieur d’environ deux ordres de grandeur. Un exemple discuté dans l’article est la phase inspiratoire de binaires de trous noirs supermassifs. Alors que LISA ne pourra voir de telles sources que peu de temps avant l’événement de fusion final, LISAmax peut observer ces objets des milliers d’années auparavant, permettant ainsi une bien meilleure mesure de certains paramètres. »
La communauté scientifique étudie ce concept, qui pourrait avoir des implications drastiques pour l’avenir de l’astronomie GW. En plus d’élargir la gamme d’événements GW qui pourraient être détectés, les observatoires GW de nouvelle génération peuvent retracer davantage d’événements jusqu’à leurs sources. En plus de cela, les astronomes prévoient que les GW leur permettront d’explorer les lois de la physique, de sonder l’intérieur d’objets extrêmes et même d’aider à étudier les planètes et les satellites.
La proposition avancée par le Dr Martens et ses collègues est l’un des nombreux concepts GW soumis à l’ESA pour le programme Voyage 2050. Ces concepts incluent un interféromètre spatial qui surveillerait le ciel pour les GW dans la gamme de fréquences millihertz à microhertz (mHz à µ-Hz). Un autre propose comment des interféromètres sensibles aux GW dans la gamme des mHz pourraient être utilisés pour en savoir plus sur la nature des trous noirs. D’autres montrent comment les observations dans la gamme des décihertz (dHz) pourraient fournir le « chaînon manquant » pour l’astronomie GW, tandis que l’astronomie à angle élevé pourrait aider à retracer les GW jusqu’à leur source.
La recherche sur la physique de l’univers primordial, qui inclut l’étude des ondes gravitationnelles primordiales, est également un thème majeur du programme Voyage 2050 de l’ESA. En examinant les GW créées pendant l’époque inflationniste, les scientifiques pourraient enfin sonder la physique et la microphysique de cette première période cosmique.
Plus d’information:
Waldemar Martens et al, LISAmax : Amélioration de la sensibilité aux ondes gravitationnelles de deux ordres de grandeur, arXiv (2023). DOI : 10.48550/arxiv.2304.08287