Grâce à sa grande sensibilité, FAST permet de trouver des preuves essentielles de l’existence d’ondes gravitationnelles nanohertz. Crédit : Image par le NAOC du CAS
La collaboration Chinese Pulsar Timing Array (CPTA) a identifié des preuves de l’existence d’ondes gravitationnelles nanohertz à l’aide du radiotélescope sphérique à ouverture de 500 mètres (FAST). Malgré un ensemble de données plus court, leur sensibilité élevée a permis d’obtenir des résultats comparables à ceux d’autres groupes internationaux. Cette découverte est essentielle pour comprendre la structure de l’Univers et le comportement des trous noirs supermassifs, et ouvre la voie à l’exploration future des ondes gravitationnelles.
Un groupe de scientifiques chinois a récemment trouvé des preuves essentielles de l’existence d’ondes gravitationnelles nanohertz, marquant ainsi une nouvelle ère dans la recherche sur les ondes gravitationnelles nanoHertz. La recherche s’est appuyée sur des observations de la chronologie des pulsars réalisées 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. Les résultats ont été publiés en ligne dans la revue Research in Astronomy and Astrophysics (RAA).
D’autres collaborations internationales de réseaux de synchronisation de pulsars annonceront des résultats similaires le même jour.
Des scientifiques chinois ont récemment trouvé des preuves essentielles de l’existence d’ondes gravitationnelles nanohertz, marquant ainsi une nouvelle ère dans la recherche gravitationnelle nanoHertz. Crédit : Image du CAS New Media Lab
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’ondes soient extrêmement faibles, ils offrent une méthode directe pour sonder les masses qui n’émettent pas de lumière. C’est pourquoi les astronomes cherchent depuis longtemps à utiliser les ondes gravitationnelles pour mieux comprendre la formation des structures de l’Univers et 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.
Profitant de la haute sensibilité de FAST, l’équipe de recherche du CPTA a surveillé 57 pulsars millisecondes avec des cadences régulières pendant 41 mois. L’équipe a trouvé des preuves essentielles de signatures de corrélation quadrupolaire compatibles avec la prédiction d’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 un logiciel d’analyse des données et des algorithmes de traitement des données développés de manière indépendante pour réaliser sa percée en même temps que d’autres groupes internationaux. Des lignes de traitement de données indépendantes ont produit des résultats compatibles.
Des scientifiques chinois ont récemment trouvé des preuves essentielles de l’existence d’ondes gravitationnelles nanohertz, marquant ainsi une nouvelle ère dans la recherche gravitationnelle nanoHertz. Crédit : vidéo du CAS New Media Lab
La durée de l’ensemble des données du CPTA est relativement courte à l’heure actuelle. Cependant, grâce à la grande sensibilité du télescope FAST, CPTA a atteint une sensibilité similaire à celle d’autres PTA. Les observations futures permettront bientôt d’étendre la durée des données CPTA et d’identifier les sources astronomiques des signaux actuels.
Les objets de grande masse produisent des ondes gravitationnelles de plus faible fréquence. Par exemple, le corps céleste le plus massif de l’univers, les trous noirs binaires supermassifs (avec 100 millions à 100 milliards de fois la masse solaire) au centre des galaxies, génèrent principalement des ondes gravitationnelles dans la bande des nanohertz, avec des échelles de temps de signal correspondantes allant de plusieurs années à plusieurs dizaines d’années. Cette bande de fréquences inclut également des contributions d’ondes gravitationnelles provenant de processus de l’Univers primitif ainsi que d’objets exotiques tels que les cordes cosmiques.
L’utilisation des ondes gravitationnelles nanohertz dans l’observation cosmique est donc extrêmement importante pour l’étude des problèmes clés de l’astrophysique contemporaine, tels que les trous noirs supermassifs, l’histoire des fusions de galaxies et la formation des structures à grande échelle dans l’Univers.
La détection des ondes gravitationnelles nanohertz est cependant très difficile en raison de leur fréquence extrêmement basse, la période correspondante pouvant atteindre plusieurs années et les longueurs d’onde plusieurs années-lumière. Jusqu’à présent, l’observation à long terme de pulsars millisecondes présentant une stabilité rotationnelle extrême est la seule méthode connue pour détecter efficacement les ondes gravitationnelles nanohertz.
La recherche de ces ondes est l’une des principales préoccupations de la physique et de l’astronomie actuelles. Des collaborations régionales de réseaux de synchronisation de pulsars, notamment l’Observatoire nord-américain des ondes gravitationnelles (NANOGrav), le Réseau européen de synchronisation des pulsars (EPTA) et le Réseau australien de synchronisation des pulsars de Parkes (PPTA), collectent des données de synchronisation de pulsars depuis plus de 20 ans, dans le but de détecter les ondes gravitationnelles nanohertz. Récemment, plusieurs nouvelles collaborations régionales ont rejoint ce domaine, notamment le CPTA, l’India Pulsar Timing Array (InPTA) et le South Africa Pulsar Timing Array (SAPTA).
La sensibilité des réseaux de synchronisation des pulsars aux ondes gravitationnelles nanohertz dépend fortement de la durée d’observation, c’est-à-dire que la sensibilité croît rapidement avec l’augmentation de la durée d’observation. La durée d’observation de l’actuel CPTA est plus courte, ce qui facilite l’augmentation effective de la durée d’observation, c’est-à-dire que l’observation pendant 41 mois supplémentaires doublera la durée d’observation.
À l’avenir, ces collaborations régionales favoriseront la collaboration internationale sur les réseaux de synchronisation des pulsars et élargiront l’exploration de l’Univers grâce à l’observation des ondes gravitationnelles nanohertz.
Référence : « Searching for the Nano-Hertz Stochastic Gravitational Wave Background with the Chinese Pulsar Timing Array Data Release I » par Heng Xu, Siyuan Chen, Yanjun Guo, Jinchen Jiang, Bojun Wang, Jiangwei Xu, Zihan Xue, R. Nicolas Caballero, Jianping Yuan, Yonghua Xu, Jingbo Wang, Longfei Hao, Jingtao Luo, Kejia Lee, Jinlin Han, Peng Jiang, Zhiqiang Shen, Min Wang, Na Wang, Renxin Xu, Xiangping Wu, Richard Manchester, Lei Qian, Xin Guan, Menglin Huang, Chun Sun et Yan Zhu, 29 juin 2023, Research in Astronomy and Astrophysics.
DOI : 10.1088/1674-4527/acdfa5