À la UnePC et périphériques

Les ondes gravitationnelles des trous noirs supermassifs peut-être découvertes grâce à Arecibo

36views

Il existe probablement un fond cosmologique chaotique d’ondes gravitationnelles provenant de diverses sources, en particulier les trous noirs supermassifs binaires. Une astuce ingénieuse pour les détecter, en ayant observé avec le radiotélescope d’Arecibo des dizaines de pulsars dans la Voie lactée pendant plus d’une décennie, commence peut-être à payer.

On se souvient de la consternation ressentie en novembre 2020 lors de la destruction de l’Observatoire d’Arecibo. Ce géant de la radioastronomie était entré en service en 1963, pendant la décennie où le programme Seti a pris son essor. Il va y contribuer significativement mais c’est surtout la découverte des pulsars en 1967 qui va lui permettre de marquer l’histoire de l’Humanité. Ces astres sont les étoiles à neutrons théorisées au cours des années 1930, ce qui veut dire qu’elles sont des résidus d’étoiles mortes qui ont explosé sous forme de supernovae de type SN II. Il s’agit donc d’astres compacts de quelques dizaines de kilomètres de diamètre, contenant de l’ordre de quelques masses solaires tout au plus.

Extrait du documentaire Du Big Bang au vivant, associé au site du même nom, un projet multiplateforme francophone sur la cosmologie contemporaine. Jean-Pierre Luminet parle de la mort des étoiles massives, leur explosion en supernova et la formation de pulsars. © ECP Productions, YouTube

Les étoiles à neutrons possédant un fort champ magnétique et étant en rotation rapide, on peut montrer qu’elles vont générer des ondes radio focalisées et se comporter comme une sorte de phare. Lorsque le faisceau d’ondes d’une de ces balises cosmiques intercepte le Système solaire, un radiotélescope va donc enregistrer à répétition un flash périodique pulsant, à tel point que l’on peut utiliser les pulsars comme des horloges cosmiques très stables, avec une fréquence propre caractéristique. On pourrait donc s’en servir pour se repérer lors de voyages interplanétaires et même interstellaires.

Si les premiers pulsars n’ont pas été découverts à Arecibo, ce sont ceux observés avec ce radiotélescope qui vont permettre la découverte indirecte des ondes gravitationnelles et l’étude des informations contenues dans ces ondes pour tester la relativité générale et ses alternatives afin de décrire une théorie relativiste de la gravitation telle celle dite « théorie de tenseur-scalaire ». Comme Futura l’expliquait dans le précédent article ci-dessous, des astrophysiciens regroupés au sein de la collaboration NANOGrav (North American Nanohertz Observatory for Gravitationnal Waves) ont décidé de mettre à profit la population de pulsars détectés dans la Voie lactée pour pousser un cran plus loin le développement de l’astronomie des ondes gravitationnelles.

Une présentation de NanoGrav. Pour obtenir une traduction en français assez fidèle, cliquez sur le rectangle blanc en bas à droite. Les sous-titres en anglais devraient alors apparaître. Cliquez ensuite sur l’écrou à droite du rectangle, puis sur « Sous-titres » et enfin sur « Traduire automatiquement ». Choisissez « Français ». © PhysicistMichael

Un fond stochastique d’ondes gravitationnelles

Depuis environ 16 ans, ces chercheurs ont pris au sérieux la possibilité de détecter, avant la mission spatiale eLisa de l’ESA, qui ne devrait être opérationnelle qu’à l’horizon des années 2030, les ondes gravitationnelles à très basse fréquence (∼1-100 nHz) produites par des populations de paires de trous noirs supermassifs. Ces paires doivent se former à l’occasion de fusions de grandes galaxies conduisant, par la force de friction gravitationnelle du gaz d’étoiles dans ces galaxies sur leurs trous noirs supermassifs, à ce qu’ils tombent l’un vers l’autre au cœur des galaxies nouvellement formées par la fusion.

Comme ces astres peuvent contenir des masses de quelques millions à quelques milliards de masses solaires en moyenne, ils produisent en couple un important rayonnement d’ondes gravitationnelles. Mais, comme ils sont considérablement plus distants les uns des autres que dans le cas des paires de trous noirs stellaires détectées par Ligo et Virgo, les périodes orbitales sont nettement plus longues selon les lois de Kepler de sorte que le début du signal produit se fait effectivement dans une bande de très basses fréquences, qui ne sont vraiment détectables qu’avec eLisa.

Plus généralement, un réseau de pulsars millisecondes devrait permettre de détecter à ces basses fréquences non seulement le fond stochastique d’ondes gravitationnelles résultant de la superposition des émissions de nombreuses paires de trous noirs supermassifs dans l’Univers observable mais peut-être aussi à ces fréquences les émissions de cordes cosmiques, ou celles résultant de processus cosmologiques très primitifs, comme des transitions de phases dans certains scénarios inflationnaires.

Le Système solaire compressé et étiré par les ondes gravitationnelles

Les idées derrière cette détection ne sont pas difficiles à comprendre. Lorsqu’une puissante onde gravitationnelle passe dans le Système solaire, elle doit compresser et étirer alternativement l’espace, de sorte que des ondes radio voyageant à la vitesse de la lumière et issues de pulsars vont mettre moins ou plus de temps respectivement pour atteindre un radiotélescope sur Terre. Si l’on mesure les signaux de plusieurs dizaines de pulsars millisecondes, on devrait avoir une distorsion bien précise des temps d’arrivée des impulsions radio de ces astres. Si l’on s’y prend bien, on doit donc pouvoir mettre en évidence le passage des ondes gravitationnelles à très basses fréquences du fond stochastique d’ondes gravitationnelles.

Les membres de NANOGrav viennent donc de faire savoir, via un article que l’on peut trouver en accès libre sur arXiv, qu’en analysant presque 13 années de données collectées avec le radiotélescope d’Arecibo mais aussi celui de Green Bank, et concernant 45 pulsars, ils commencent à voir un signal qui ressemble bel et bien à celui attendu en ce qui concerne les ondes gravitationnelles des trous noirs supermassifs. Si tel est bien le cas, c’est vraiment un exploit car les écarts que l’on cherche à mesurer sur des temps d’arrivée sont de l’ordre de quelques centaines de nanosecondes et se produisent sur des échelles de temps de plusieurs années. Il faut aussi, évidemment, tenir compte de bien des perturbations, tant dans le Système solaire qu’au niveau des pulsars pour écarter raisonnablement des effets imitant le passage des ondes gravitationnelles.

Plusieurs déclarations des membres montrent à la fois leur enthousiasme mais aussi leur prudence quant aux résultats obtenus.

« Ces premiers indices alléchants d’un fond stochastique gravitationnel suggèrent que les trous noirs supermassifs fusionnent probablement et que nous flottons dans une mer d’ondes gravitationnelles ondulant à partir de fusions de trous noirs supermassifs dans les galaxies à travers l’Univers », déclare ainsi Julie Comerford, de l’Université du Colorado à Boulder.

« Nous avons trouvé un signal fort dans notre ensemble de données, mais nous ne pouvons pas encore dire que ce soit le fond des ondes gravitationnelles », précise son collègue Joseph Simon, également à Boulder.

Quant à Scott Ransom, de l’Observatoire national de radioastronomie des États-Unis, il ajoute que : « Essayer de détecter les ondes gravitationnelles avec un ensemble de pulsars demande de la patience. Nous analysons actuellement plus d’une douzaine d’années de données, mais une détection définitive en prendra probablement quelques autres. C’est formidable que ces nouveaux résultats correspondent exactement à ce à quoi nous nous attendrions à mesure que nous nous rapprochions d’une détection ».

Ce qu’il faut retenir

  • Basé sur le même principe de détection des ondes gravitationnelles que Virgo et Ligo, l’observatoire eLisa devrait rejoindre l’espace d’ici 2035 environ. Son but est d’observer en particulier les fusions de trous noirs supermassifs.
  • Mais, selon les chercheurs du consortium North American Nanohertz Observatory for Gravitational Waves, il ne sera probablement pas nécessaire d’attendre aussi longtemps pour que la détection de la première onde gravitationnelle émise par un tel trou noir binaire ait lieu.
  • Il suffira de mesurer des délais anormaux dans les temps d’arrivée de signaux de pulsars (ces balises radio naturelles très stables d’ordinaire) situés à 3.000 années-lumière de la Terre.
  • Au bout de presque 13 années de données collectées avec le radiotélescope d’Arecibo, un fond stochastique d’ondes gravitationnelles en accord avec les prévisions et provenant des trous noirs supermassifs commence à pointer le bout de son nez. Mais des années sont encore nécessaires pour affirmer sa découverte.

Pour en savoir plus

Des ondes gravitationnelles bientôt détectables grâce aux pulsars ?

Article de Laurent Sacco publié le 20/11/2017

Une équipe d’astrophysiciens vient de le confirmer : il devrait bientôt être possible d’observer les ondes gravitationnelles émises par les collisions de trous noirs supermassifs. Il serait même possible de le faire avant le lancement dans l’espace du détecteur eLisa grâce aux pulsars.

La spectaculaire détection conjointe par Ligo et Virgo des ondes gravitationnelles émises par une kilonova a confirmé que nous étions pleinement rentrés dans l’ère de l’astronomie gravitationnelle. Toutefois, ces détecteurs, et ceux en construction sur Terre utilisant le même schéma de fonctionnement, ne peuvent nous donner accès qu’à une certaine bande de fréquences, comme d’ailleurs tous les instruments basés sur les ondes électromagnétiques en astronomie (Hubble ne peut pas voir dans le domaine des rayons X par exemple et Chandra ne peut pas voir dans le visible).

Ainsi, les télescopes gravitationnels terrestres ne peuvent voir, pour l’essentiel, que les ondes générées par les cadavres d’objets stellaires formant des systèmes binaires, à savoir des étoiles à neutrons et des trous noirs stellaires en train de se rapprocher peu avant de fusionner. Mais qu’en est-il des fusions de trous noirs supermassifs ? Si l’on veut les étudier, l’instrument le plus indiqué sera eLisa, que l’ESA devrait lancer dans l’espace dans les années 2030.

Mieux comprendre les trous noirs supermassifs binaires

Contenant plusieurs millions à plusieurs milliards de masses solaires, les trous noirs supermassifs sont des astres compacts. Il s’agit de sources d’ondes gravitationnelles très intenses. Ils sont donc facilement détectables, mais, comme les distances entre ces objets sont aussi plus grandes, les mouvements sont plus lents et les fréquences des ondes sont plus basses pendant des millions d’années avant que la fusion ne se produise.

Nous savons qu’il y a des trous noirs supermassifs binaires dans l’univers observable. Ce sont, par exemple, les observations aux rayons X de Chandra et celles dans le domaine radio du VLBA qui nous le disent. Ces trous noirs résultent de la fusion de deux grandes galaxies. Mais nous ne savons pas très bien comment ce phénomène se produit ni à quel rythme dans l’histoire du cosmos. Or, celui-ci doit jouer un rôle important dans l’histoire des galaxies et, ne serait-ce que de ce point de vue, il est important de le connaître plus en profondeur. L’astronomie gravitationnelle devrait nous y aider.

Les pulsars, des horloges sensibles aux ondes gravitationnelles

Faut-il attendre encore une quinzaine d’années, voire plus en cas de retard du projet eLisa, pour commencer à avoir des réponses à ce sujet ? Peut-être que non, si l’on en croit un article publié dans Nature Astronomy et disponible sur arXiv. Celui-ci provient de membres du North American Nanohertz Observatory for Gravitational Waves (NanoGrav), un consortium de radioastronomes et de physiciens des ondes gravitationnelles dont le but est de détecter les ondes gravitationnelles en utilisant un réseau de pulsars millisecondes comme horloges.

Ces balises radio fonctionnant comme des phares cosmiques doivent pour cela être observées avec une très grande précision. Une campagne a déjà été menée dans ce sens pendant une durée de neuf ans avec deux des radiotélescopes les plus sensibles sur Terre, le Green Bank Telescope, en Virginie-Occidentale, et l’observatoire d’Arecibo, à Porto Rico (tous les deux aux États-Unis). Cinquante-quatre pulsars sont actuellement observés avec le même objectif et, selon les chercheurs, on pourrait bien détecter les ondes gravitationnelles produites par au moins un trou noir supermassif binaire au cours de la prochaine décennie.

Une modification de la distance entre le Système solaire et les pulsars

L’idée derrière cette détection, comme expliqué dans la vidéo ci-dessus, est que le passage d’une onde gravitationnelle va modifier la distance entre le Système solaire et les pulsars. Ainsi, les flashs radio particulièrement stables de ces pulsars vont présenter une anomalie dans leurs temps d’arrivée. L’analyse des décalages dans ces temps trahira le passage d’une onde gravitationnelle d’une forme donnée.

Dans le travail qu’ils viennent de publier, les chercheurs de NanoGrav ont voulu préciser les chances d’observer ces anomalies dans les années à venir, et donc les chances d’estimer le nombre de trous noirs supermassifs binaires susceptibles d’émettre des signaux mesurables. Nous devrions commencer à pouvoir le faire quelques millions d’années avant la fusion de ces trous noirs, selon les astrophysiciens. Le phénomène est lent parce que les distances à parcourir sont grandes lors des fusions de galaxies qui prennent des centaines de millions d’années.

Pour arriver au résultat recherché, il a fallu combiner des observations de galaxies menées dans le cadre du 2 Micron All-Sky Survey (2Mass) et des résultats de la simulation Illustris concernant les galaxies et les grandes structures que ces dernières forment. Il semble que, dans un échantillon de 5.000 galaxies proches de la Voie lactée, environ 90 trous noirs supermassifs binaires seraient sur le point d’entrer en collision.

Intéressé par ce que vous venez de lire ?

Via futura-sciences.com

Leave a Response