Les astronomes trouvent une nouvelle façon de détecter les ondes gravitationnelles | Science

Les chercheurs ont trouvé une nouvelle façon de rechercher les ondes gravitationnelles, les ondulations dans l’espace-temps causées par l’explosion, le tourbillon ou la fusion d’objets célestes massifs. Les physiciens ont détecté des ondes pour la première fois en 2015 avec des détecteurs à base de laser, et d’autres scientifiques les ont chassées avec des radiotélescopes terrestres. Maintenant, la chasse s’est déplacée vers l’espace. Une nouvelle étude révèle que les données du télescope spatial Fermi à rayons gamma peuvent, en théorie, également détecter une onde qui passe. Bien que la technique ne soit pas encore assez précise pour faire une détection réelle, elle aide déjà d’autres chercheurs à affiner leurs analyses.

Découvrir que Fermi pouvait faire cela “a été une grande surprise pour nous”, a déclaré le chef d’équipe Matthew Kerr, astronome en rayons gamma au Naval Research Laboratory. Lorsque le télescope a été lancé il y a près de 14 ans, “c’était tellement loin du radar”.

Les ondes gravitationnelles, prédites par la théorie de la relativité générale d’Albert Einstein, se produisent lorsque d’immenses masses – telles que des trous noirs ou des neutrons, les noyaux denses d’étoiles brûlées – se déplacent violemment, tourbillonnent et s’écrasent les unes contre les autres. Depuis 2015, deux grands détecteurs terrestres, le Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO) aux États-Unis et l’Europe Virgo, ont détecté des dizaines de fusions de trous noirs et une seule paire d’étoiles à neutrons. Les détecteurs tirent des lasers à travers des tubes à vide de plusieurs kilomètres de long. Lorsqu’une onde passe, elle modifie la longueur du tube d’à peine 1/10 000e de la largeur d’un proton, ce que les lasers détectent alors.

Les radioastronomes recherchent des proies plus importantes que LIGO et Virgo : ils recherchent des mégafusions, l’union de trous noirs supermassifs qui pèsent chacun des milliards de soleils. De tels trous noirs se cachent au centre des galaxies ; lorsque deux galaxies fusionnent, on pense que les trous noirs tournent étroitement l’un autour de l’autre et se rejoignent lentement. Les télescopes conventionnels ne détecteront jamais une telle paire dans une galaxie lointaine, déclare la théoricienne des ondes gravitationnelles Chiara Mingarelli de l’Université du Connecticut, Storrs. Les ondes gravitationnelles “pourraient être la seule preuve que nous verrons jamais”.

Parce que les ondes produites par un tel duo en spirale sont longues – un cycle prend des années à passer – les attraper nécessite un réseau galactique. Au lieu d’utiliser des lasers et des tubes à vide, les radioastronomes se tournent vers les pulsars, des étoiles à neutrons qui émettent des radiations depuis leurs pôles. Pendant qu’ils tournent, ce rayonnement balaie le ciel comme un faisceau de phare suralimenté. Sur Terre, les astronomes voient des éclairs des centaines de fois par seconde provenant de certains pulsars, arrivant aussi régulièrement que les tic-tac d’une horloge atomique. Une onde gravitationnelle passante modifiera légèrement la distance entre un pulsar et la Terre, donc en surveillant les heures d’arrivée des impulsions d’une collection de pulsars à travers la Voie lactée pendant de nombreuses années – connue sous le nom de réseau de synchronisation de pulsars (PTA) – les astronomes espèrent détecter légères variations qui signalent le passage des ondes gravitationnelles.

L’année dernière, à l’aide de données recueillies sur plus d’une douzaine d’années, les équipes de PTA en Amérique du Nord et en Europe ont annoncé qu’elles avaient capté de faibles signaux statistiques suggérant quelque chose connu sous le nom de fond d’onde gravitationnelle, une réverbération de toutes les fusions de trous noirs supermassifs à travers un grand bande de l’univers. L’analyse de quelques années supplémentaires de données, ce que les équipes font actuellement, pourrait renforcer ces affirmations.

Et maintenant, Fermi est entré dans la mêlée. Les pulsars émettent des rayons gamma, en plus de leur flot d’ondes radio. Mais de nombreux astronomes doutaient que leurs instruments aient suffisamment de sens pour détecter les ondes gravitationnelles. Kerr et ses collègues ont décidé de le découvrir. Ils ont parcouru 12,5 ans d’archives de Fermi pour trouver des photons gamma provenant d’environ 30 pulsars appropriés. Contrairement aux PTA radio, qui doivent cibler des pulsars spécifiques pendant de brèves fenêtres de temps, Fermi surveille constamment une large bande de ciel, de sorte que plusieurs pulsars sont presque toujours en vue. Mais les photons dans la gamme gamma sont si rares que “Fermi peut regarder toute la semaine et ne voir aucun photon”, explique Kerr.

Pourtant, l’équipe rapporte aujourd’hui dans Science, leur navigation dans les archives de Fermi a révélé suffisamment de photons pour créer un PTA à rayons gamma. Comme leurs collègues radio, Kerr et son équipe n’ont pas été en mesure de détecter définitivement le fond d’ondes gravitationnelles. Mais ils ont pu fixer une limite supérieure à la valeur de leur signal. Kerr admet que la limite basée sur le gamma n’est qu’environ un tiers aussi serrée que celle des PTA radio, mais elle s’améliorera à mesure que Fermi collectera plus de données. “Donc, si Fermi ne tombe pas du ciel, nous aurons une sensibilité comparable” dans 5 à 10 ans, dit-il.

“C’est un article vraiment intéressant”, a déclaré Maura McLaughlin de l’Université de Virginie-Occidentale, responsable de NANOGrav, l’une des équipes radio PTA. Bien que l’effort des rayons gamma continue de rattraper son retard, il peut déjà y contribuer. “Une chose très utile que les données de rayons gamma peuvent faire est de nous aider à comprendre l’effet du milieu interstellaire”, qui est une source majeure de bruit dans les recherches PTA, dit McLaughlin. Cette traînée de particules et de rayonnement peut courber la trajectoire des ondes radio et ralentir certaines fréquences plus que d’autres, maculant le signal. Mais les rayons gamma obtiennent un laissez-passer, et en comparant les signaux pulsars des rayons radio et gamma, les chercheurs peuvent mieux comprendre le bruit interstellaire et potentiellement identifier l’empreinte des ondes gravitationnelles. Les signaux de rayons gamma sont “une mesure indépendante”, explique Mingarelli, également membre de l’équipe NANOGrav. “Il s’ajoute à notre boîte à outils de détection d’ondes gravitationnelles.”

Une fois que les PTA – radio et rayons gamma – auront identifié le fond des ondes gravitationnelles, la prochaine cible sera des binaires de trous noirs supermassifs individuels pour découvrir comment ces mastodontes tourbillonnants affectent les galaxies qui les entourent. “C’est une toute nouvelle façon d’observer l’univers”, déclare Mingarelli. « Qui sait ce que nous allons trouver ?

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