Dans cette interprétation d’artiste, une paire de trous noirs supermassifs (en haut à gauche) émet des ondes gravitationnelles qui se répercutent dans le tissu de l’espace-temps. Ces ondes gravitationnelles compriment et étirent les trajectoires des ondes radio émises par les pulsars (en blanc). En mesurant soigneusement les ondes radio, une équipe de scientifiques a récemment détecté pour la première fois le fond d’ondes gravitationnelles de l’univers. Crédit : Aurore Simonnet pour la collaboration NANOGrav
Les observations par radiotélescope des pulsars de la Voie lactée révèlent des distorsions de l’espace-temps probablement causées par d’énormes ondes gravitationnelles qui traversent tout ce qui existe.
Vous ne pouvez ni le voir ni le sentir, mais tout ce qui vous entoure – y compris votre propre corps – se rétrécit et se dilate lentement. C’est l’étrange effet de distorsion de l’espace-temps des ondes gravitationnelles qui traversent notre galaxie, selon une nouvelle étude réalisée par une équipe de chercheurs du NANOGrav Physics Frontiers Center de la Fondation nationale des sciences des États-Unis.
Les résultats, récemment publiés dans The Astrophysical Journal Letters, proviennent du North American Nanohertz Observatory for Gravitational Waves (NANOGrav), une équipe collaborative de chercheurs issus de plus de 50 institutions aux États-Unis et à l’étranger. L’équipe a analysé des étoiles brûlées connues sous le nom de pulsars millisecondes, qui tournent des centaines de fois par seconde et émettent des impulsions radio comme des tics d’horloges cosmiques très précises. L’équipe a découvert ce qui semblait être des variations dans le « tic-tac » de ces pulsars en comparant les observations de plus de 60 pulsars dans les données de radiotélescopes couvrant une période de 15 ans. Leur analyse prouve que ces variations sont dues à des ondes gravitationnelles de basse fréquence qui déforment le tissu de la réalité physique appelé espace-temps.
Représentation artistique des ondes gravitationnelles émises par une paire de trous noirs en orbite proche (visibles à gauche au loin). Les ondes passent devant plusieurs pulsars et la Terre (à droite). Source : Keyi « Onyx » Li/U.S. National Science Foundation
Selon les conclusions de l’équipe NANOGrav, la distorsion spatiale provoquée par les ondes gravitationnelles donne l’impression que le rythme des signaux radio des pulsars change. En réalité, c’est l’étirement et la compression de l’espace entre la Terre et les pulsars qui font que leurs impulsions radio arrivent sur Terre quelques milliardièmes de secondes plus tôt ou plus tard que prévu. Ces résultats constituent la première preuve de l’existence du bruit de fond des ondes gravitationnelles, une sorte de soupe de distorsions de l’espace-temps omniprésente dans l’univers entier et dont les scientifiques prédisent depuis longtemps l’existence.
« L’équipe NANOGrav de la NSF a créé, par essence, un détecteur à l’échelle de la galaxie révélant les ondes gravitationnelles qui imprègnent notre univers », a déclaré le directeur de la NSF, Sethuraman Panchanathan. « La collaboration entre des instituts de recherche de tous les États-Unis montre que l’innovation scientifique de niveau international peut, doit et atteint effectivement toutes les régions de notre pays.
Les ondes gravitationnelles ont été prédites pour la première fois par Albert Einstein en 1916. Elles n’ont été confirmées qu’en 2015, lorsque le Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO) a détecté des ondulations de l’espace-temps traversant la Terre. Bien que la source de ces ondulations gravitationnelles soit la collision de deux trous noirs lointains, la distorsion spatiale détectée par LIGO était plus petite que le noyau d’un atome.
En comparaison, le décalage temporel apparent des pulsars mesuré par l’équipe NANOGrav est de quelques centaines de milliardièmes de seconde et représente une flexion de l’espace-temps entre la Terre et les pulsars de l’ordre de la longueur d’un terrain de football. Ces distorsions de l’espace-temps ont été provoquées par des ondes gravitationnelles si immenses que la distance entre deux crêtes est de 2 à 10 années-lumière, soit environ 9 à 90 billions de kilomètres.
« Il s’agit de loin des ondes gravitationnelles les plus puissantes que l’on connaisse », a déclaré Maura McLaughlin, astrophysicienne à l’université de Virginie occidentale et codirectrice du NANOgrav Physics Frontiers Center. « La détection d’ondes gravitationnelles aussi gigantesques nécessite un détecteur tout aussi massif et de la patience.
En utilisant 15 ans de données astronomiques enregistrées par des radiotélescopes dans des observatoires soutenus par la NSF, notamment l’observatoire de Green Bank en Virginie occidentale, le Very Large Array à Socorro, au Nouveau-Mexique, et l’observatoire d’Arecibo à Porto Rico, l’équipe de NANOGrav a créé un « détecteur » de 67 pulsars répartis dans tout le ciel et a comparé le rythme de tic-tac de paires de ces pulsars. Grâce à une analyse sophistiquée des données, ils ont déduit la présence d’un bruit de fond d’ondes gravitationnelles à l’origine de la distorsion de l’espace, expliquant ainsi les changements de rythme apparents des pulsars.
Il s’agit de la première preuve de l’existence d’ondes gravitationnelles à ces basses fréquences », a déclaré Stephen Taylor, astrophysicien à l’université Vanderbilt, président de la collaboration NANOGrav et codirecteur de l’effort de recherche. « La source probable de ces ondes est constituée par des paires distantes de trous noirs ultra-massifs en orbite proche ».
« C’est pourquoi la National Science Foundation soutient des travaux d’équipe audacieux tels que NANOGrav, afin d’élargir nos connaissances au profit de la société », a déclaré Sean L. Jones, directeur adjoint de la NSF pour les sciences mathématiques et physiques.
Les résultats obtenus par l’équipe permettent de mieux comprendre l’évolution des galaxies et la croissance et la fusion des trous noirs supermassifs. La distorsion généralisée de l’espace-temps révélée par ces résultats implique que des paires de trous noirs extrêmement massifs pourraient être répandues de la même manière dans l’univers, se comptant peut-être en centaines de milliers, voire en millions. À terme, l’équipe du NANOGrav espère pouvoir identifier des paires de trous noirs supermassifs spécifiques en traçant les ondes gravitationnelles qu’ils émettent. Elle pourrait même découvrir des traces d’ondes gravitationnelles provenant du tout début de l’univers.
« Alors que nos premières données nous indiquaient que nous entendions quelque chose, nous savons maintenant qu’il s’agit de la musique de l’univers gravitationnel », a déclaré Xavier Siemens, codirecteur du NANOGrav et astrophysicien à l’université d’État de l’Oregon. « Au fur et à mesure que nous écoutons, des instruments individuels vont s’imposer dans cet orchestre cosmique ».
Pour en savoir plus sur cette recherche :
Référence : « The NANOGrav 15 yr Data Set : Evidence for a Gravitational-wave Background » par Gabriella Agazie, Akash Anumarlapudi, Anne M. Archibald, Zaven Arzoumanian, Paul T. Baker, Bence Bécsy, Laura Blecha, Adam Brazier, Paul R. Brook, Sarah Burke-Spolaor, Rand Burnette, Robin Case, Maria Charisi, Shami Chatterjee, Katerina Chatziioannou, Belinda D. Cheeseboro, Siyuan Chen, Tyler Cohen, James M. Cordes, Neil J. Cornish, Fronefield Crawford, H. Thankful Cromartie, Kathryn Crowter, Curt J. Cutler, Megan E. DeCesar, Dallas DeGan, Paul B. Demorest, Heling Deng, Timothy Dolch, Brendan Drachler, Justin A. Ellis, Elizabeth C. Ferrara, William Fiore, Emmanuel Fonseca, Gabriel E. Freedman, Nate Garver-Daniels, Peter A. Gentile, Kyle A. Gersbach, Joseph Glaser, Deborah C. Good, Kayhan Gültekin, Jeffrey S. Hazboun, Sophie Hourihane, Kristina Islo, Ross J. Jennings, Aaron D. Johnson, Megan L. Jones, Andrew R. Kaiser, David L. Kaplan, Luke Zoltan Kelley, Matthew Kerr, Joey S. Key, Tonia C. Klein, Nima Laal, Michael T. Lam, William G. Lamb, T. Joseph W. Lazio, Natalia Lewandowska, Tyson B. Littenberg, Tingting Liu, Andrea Lommen, Duncan R. Lorimer, Jing Luo, Ryan S. Lynch, Chung-Pei Ma, Dustin R. Madison, Margaret A. Mattson, Alexander McEwen, James W. McKee, Maura A. McLaughlin, Natasha McMann, Bradley W. Meyers, Patrick M. Meyers, Chiara M. F. Mingarelli, Andrea Mitridate, Priyamvada Natarajan, Cherry Ng, David J. Nice, Stella Koch Ocker, Ken D. Olum, Timothy T. Pennucci, Benetge B. P. Perera, Polina Petrov, Nihan S. Pol, Henri A. Radovan, Scott M. Ransom, Paul S. Ray, Joseph D. Romano, Shashwat C. Sardesai, Ann Schmiedekamp, Carl Schmiedekamp, Kai Schmitz, Levi Schult, Brent J. Shapiro-Albert, Xavier Siemens, Joseph Simon, Magdalena S. Siwek, Ingrid H. Stairs, Daniel R. Stinebring, Kevin Stovall, Jerry P. Sun, Abhimanyu Susobhanan, Joseph K. Swiggum, Jacob Taylor, Stephen R. Taylor, Jacob E. Turner, Caner Unal, Michele Vallisneri, Rutger van Haasteren, Sarah J. Vigeland, Haley M. Wahl, Qiaohong Wang, Caitlin A. Witt, Olivia Young and The NANOGrav Collaboration, 29 juin 2023, The Astrophysical Journal Letters.
DOI : 10.3847/2041-8213/acdac6