Après 15 ans d’observation des pulsars, la collaboration NANOGrav a détecté des ondes gravitationnelles plus fortes que jamais, probablement produites par des paires de trous noirs supermassifs. Cette découverte révolutionnaire constitue la première preuve du bruit de fond des ondes gravitationnelles, qui est étonnamment plus fort que prévu, ce qui pourrait indiquer une abondance de trous noirs supermassifs ou d’autres sources d’ondes gravitationnelles.
Après 15 ans d’observation minutieuse d’étoiles appelées pulsars dans toute notre galaxie, la collaboration NANOGrav a « entendu » le chœur perpétuel des ondes gravitationnelles qui se propagent dans notre univers.
Après 15 ans de collecte de données dans le cadre d’une expérience de la taille d’une galaxie, des scientifiques ont « entendu » pour la première fois le chœur perpétuel des ondes gravitationnelles qui se propagent dans notre univers – et il est plus fort que prévu.
Cette découverte révolutionnaire a été faite par des scientifiques du North American Nanohertz Observatory for Gravitational Waves (NANOGrav) qui ont observé de près des étoiles appelées pulsars, qui agissent comme des métronomes célestes. Les ondes gravitationnelles nouvellement détectées – des ondulations dans le tissu de l’espace-temps – sont de loin les plus puissantes jamais mesurées : Elles transportent environ un million de fois plus d’énergie que les vagues d’ondes gravitationnelles ponctuelles provenant des fusions de trous noirs et d’étoiles à neutrons détectées par des expériences telles que LIGO et Virgo.
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
La plupart des gigantesques ondes gravitationnelles sont probablement produites par des paires de trous noirs supermassifs en spirale vers des collisions cataclysmiques à travers le cosmos, rapportent les scientifiques du NANOGrav dans une série de nouveaux articles publiés aujourd’hui (29 juin) dans The Astrophysical Journal Letters.
« C’est comme une chorale, avec toutes ces paires de trous noirs supermassifs qui résonnent à des fréquences différentes », explique Chiara Mingarelli, scientifique du NANOGrav, qui a travaillé sur ces nouvelles découvertes alors qu’elle était chercheuse associée au Centre d’astrophysique computationnelle (CCA) de l’Institut Flatiron à New York. « Il s’agit de la toute première preuve de l’existence du bruit de fond des ondes gravitationnelles. Nous avons ouvert une nouvelle fenêtre d’observation de l’univers ».
L’existence et la composition du bruit de fond des ondes gravitationnelles – longtemps théorisées mais jamais entendues auparavant – constituent un trésor de nouvelles connaissances sur des questions de longue date, allant du destin des paires de trous noirs supermassifs à la fréquence des fusions de galaxies.
Les pulsars sont des étoiles à neutrons en rotation rapide qui émettent des faisceaux étroits d’ondes radio. Crédit : Centre de vols spatiaux Goddard de la NASA
Pour l’instant, NANOGrav ne peut mesurer que le bruit de fond global des ondes gravitationnelles et non le rayonnement des différents « chanteurs ». Mais même cela nous a réservé des surprises.
« Le bruit de fond des ondes gravitationnelles est environ deux fois plus fort que ce à quoi je m’attendais », explique Mingarelli, aujourd’hui professeur assistant à l’université de Yale. « Il se situe vraiment à l’extrémité supérieure de ce que nos modèles peuvent créer à partir de trous noirs supermassifs. Le volume assourdissant peut résulter de limitations expérimentales ou de trous noirs supermassifs plus lourds et plus abondants. Mais il est également possible que quelque chose d’autre génère de puissantes ondes gravitationnelles, explique Mingarelli, comme des mécanismes prédits par la théorie des cordes ou des explications alternatives de la naissance de l’univers. « Tout est dans la suite des événements », dit-elle. « Ce n’est que le début.
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Une expérience à l’échelle de la galaxie
L’équipe du NANOGrav a dû relever un défi de plusieurs années pour en arriver là. Les ondes gravitationnelles qu’ils ont recherchées sont différentes de tout ce qui avait été mesuré auparavant. Contrairement aux ondes à haute fréquence détectées par des instruments terrestres tels que LIGO et Virgo, le bruit de fond des ondes gravitationnelles est constitué d’ondes à très basse fréquence. Une seule montée et descente de l’une de ces ondes peut prendre des années, voire des décennies, à passer. Comme les ondes gravitationnelles se déplacent à la vitesse de la lumière, une seule longueur d’onde peut atteindre des dizaines d’années-lumière.
Aucune expérience sur Terre ne pouvant détecter des ondes aussi colossales, l’équipe de NANOGrav s’est tournée vers les étoiles. Elle a observé de près les pulsars, vestiges ultra-denses d’étoiles massives qui se sont transformées en supernova. Les pulsars agissent comme des phares stellaires, émettant des faisceaux d’ondes radio à partir de leurs pôles magnétiques. Lorsque les pulsars tournent rapidement (parfois des centaines de fois par seconde), ces faisceaux balayent le ciel, apparaissant de notre point d’observation sur Terre comme des impulsions rythmiques d’ondes radio.
Le Very Large Array au Nouveau-Mexique a recueilli des données qui ont contribué à la détection du bruit de fond des ondes gravitationnelles de l’univers. Crédit : NRAO/AUI/NS
Les impulsions arrivent sur Terre comme un métronome parfaitement synchronisé. La synchronisation est si précise que lorsque Jocelyn Bell a mesuré les premières ondes radio d’un pulsar en 1967, les astronomes ont pensé qu’il pouvait s’agir de signaux provenant d’une civilisation extraterrestre.
Lorsqu’une onde gravitationnelle passe entre nous et un pulsar, elle perturbe la synchronisation des ondes radio. En effet, comme l’avait prédit Albert Einstein, les ondes gravitationnelles étirent et compriment l’espace lorsqu’elles se propagent dans le cosmos, ce qui modifie la distance que doivent parcourir les ondes radio.
Pendant 15 ans, les scientifiques du NANOGrav des États-Unis et du Canada ont suivi de près les impulsions d’ondes radio émises par des dizaines de pulsars millisecondes de notre galaxie en utilisant l’observatoire d’Arecibo à Porto Rico, le télescope Green Bank en Virginie occidentale et le Very Large Array au Nouveau-Mexique. Les nouvelles découvertes sont le résultat d’une analyse détaillée d’un réseau de 67 pulsars.
« Les pulsars sont en fait des sources radio très peu lumineuses, c’est pourquoi nous avons besoin de milliers d’heures par an sur les plus grands télescopes du monde pour réaliser cette expérience », explique Maura McLaughlin de l’université de Virginie occidentale, codirectrice du NANOGrav Physics Frontiers Center. « Ces résultats sont rendus possibles grâce à l’engagement continu de la National Science Foundation (NSF) en faveur de ces observatoires radio exceptionnellement sensibles.
Détecter l’arrière-plan
En 2020, avec un peu plus de 12 ans de données, les scientifiques du NANOGrav ont commencé à percevoir des indices d’un signal, un « bourdonnement » supplémentaire commun au comportement temporel de tous les pulsars du réseau. Aujourd’hui, trois années d’observations supplémentaires plus tard, ils ont accumulé des preuves concrètes de l’existence d’un bruit de fond d’ondes gravitationnelles.
« Maintenant que nous avons la preuve de l’existence des ondes gravitationnelles, la prochaine étape consiste à utiliser nos observations pour étudier les sources produisant ce bourdonnement », explique Sarah Vigeland de l’université du Wisconsin-Milwaukee, présidente du groupe de travail sur la détection des ondes gravitationnelles du NANOGrav.
Les sources les plus probables du bruit de fond des ondes gravitationnelles sont des paires de trous noirs supermassifs pris dans une spirale de mort. Ces trous noirs sont vraiment colossaux et contiennent des milliards de soleils de masse. Presque toutes les galaxies, y compris notre Voie lactée, ont au moins un de ces mastodontes en leur cœur. Lorsque deux galaxies fusionnent, leurs trous noirs supermassifs peuvent se rencontrer et commencer à orbiter l’un autour de l’autre. Au fil du temps, leurs orbites se resserrent, car le gaz et les étoiles passent entre les trous noirs et volent de l’énergie.
Finalement, les trous noirs supermassifs se rapprochent tellement que le vol d’énergie s’arrête. Certaines études théoriques soutiennent depuis des décennies que les trous noirs s’arrêtent alors indéfiniment lorsqu’ils sont distants d’environ 1 parsec (environ trois années-lumière). Cette théorie de la proximité, mais pas du cigare, est connue sous le nom de « problème du dernier parsec ». Dans ce scénario, seuls de rares groupes de trois trous noirs supermassifs ou plus aboutissent à des fusions.
Les paires de trous noirs supermassifs pourraient toutefois avoir un tour dans leur sac. Ils pourraient émettre de l’énergie sous forme de puissantes ondes gravitationnelles en orbite l’un autour de l’autre, jusqu’à ce qu’ils entrent en collision dans un final cataclysmique. « Une fois que les deux trous noirs sont suffisamment proches pour être observés par les réseaux de synchronisation des pulsars, rien ne peut les empêcher de fusionner en l’espace de quelques millions d’années », explique Luke Kelley de l’Université de Californie à Berkeley, président du groupe d’astrophysique de NANOGrav.
L’existence du fond d’ondes gravitationnelles découvert par le NANOGrav semble confirmer cette prédiction, mettant potentiellement fin au problème du dernier parsec.
Étant donné que les paires de trous noirs supermassifs se forment à la suite de fusions de galaxies, l’abondance de leurs ondes gravitationnelles aidera les cosmologistes à estimer la fréquence des collisions de galaxies au cours de l’histoire de l’univers. Mingarelli, Deborah C. Good, chercheuse postdoctorale au CCA et à l’université du Connecticut, et leurs collègues ont étudié l’intensité du bruit de fond des ondes gravitationnelles. Ils estiment que des centaines de milliers, voire un million ou plus, de binaires de trous noirs supermassifs peuplent l’univers.
Autres sources
Toutes les ondes gravitationnelles détectées par le NANOGrav ne proviennent pas nécessairement de paires de trous noirs supermassifs. D’autres propositions théoriques prédisent également des ondes dans la gamme des ultra-basses fréquences. La théorie des cordes, par exemple, prédit que des défauts unidimensionnels appelés « cordes cosmiques » ont pu se former dans l’univers primitif. Ces cordes pourraient dissiper de l’énergie en émettant des ondes gravitationnelles. Une autre proposition suggère que l’univers n’a pas commencé par un Big Bang mais par un Big Bounce, un univers précurseur s’étant effondré sur lui-même avant de se dilater à nouveau vers l’extérieur. Dans ce cas, les ondes gravitationnelles de l’incident se propageraient encore dans l’espace-temps.
Il est également possible que les pulsars ne soient pas les parfaits détecteurs d’ondes gravitationnelles que les scientifiques pensent qu’ils sont, et qu’ils présentent une variabilité inconnue qui fausse les résultats de NANOGrav. « Nous ne pouvons pas nous approcher des pulsars et les allumer et les éteindre à nouveau pour voir s’il y a un problème », explique M. Mingarelli.
L’équipe du NANOGrav espère explorer tous les contributeurs potentiels au nouveau bruit de fond des ondes gravitationnelles tout en continuant à surveiller les pulsars. Le groupe prévoit de décomposer le bruit de fond en fonction de la fréquence des ondes et de leur origine dans le ciel.
Un effort international
Heureusement, l’équipe de NANOGrav n’est pas seule dans sa quête. Plusieurs articles publiés aujourd’hui par des collaborations utilisant des télescopes en Europe, en Inde, en Chine et en Australie font état d’indices du même signal de fond d’ondes gravitationnelles dans leurs données. Dans le cadre du consortium International Pulsar Timing Array, les différents groupes mettent en commun leurs données afin de mieux caractériser le signal et d’en identifier les sources.
« Nos données combinées seront beaucoup plus puissantes », déclare Stephen Taylor, de l’université Vanderbilt, qui a codirigé la nouvelle recherche et préside actuellement la collaboration NANOGrav. « Nous sommes impatients de découvrir les secrets qu’elles révèleront sur notre univers.
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