Le fond d’ondes gravitationnelles de l’univers a été entendu pour la 1ère fois
Les astronomes ont entendu pour la première fois le léger bourdonnement des ondes gravitationnelles résonner dans tout l’univers.
Depuis près d’une décennie, les scientifiques recherchent le fond des ondes gravitationnelles, un écho faible mais persistant des ondes gravitationnelles que l’on pense avoir été déclenchées par des événements survenus peu après le Big Bang et les fusions de trous noirs supermassifs dans tout le cosmos. Alors qu’un tel arrière-plan a longtemps été théorisé par les physiciens et recherché par les astronomes, les signaux d’ondes gravitationnelles qui composent cet arrière-plan ont été difficiles à détecter en raison de leur faiblesse, en plus de vibrer à des échelles de temps de plusieurs décennies. Maintenant, les observations à long terme ont finalement confirmé leur présence.
Dans une annonce très attendue et coordonnée à l’échelle mondiale mercredi 28 juin, des équipes de scientifiques du monde entier ont signalé la découverte du « bourdonnement grave » de ces ondulations cosmiques traversant la Voie lactée.
Bien que les astronomes ne sachent pas définitivement ce qui cause le bourdonnement, le signal détecté est une « preuve irréfutable » et conforme aux attentes théoriques de ondes gravitationnelles émergeant de copieuses paires de « trous noirs les plus massifs de tout l’univers » pesant jusqu’à des milliards de soleilsa déclaré Stephen Taylor, un astrophysicien des ondes gravitationnelles à l’Université Vanderbilt dans le Tennessee qui a codirigé la recherche.
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Des indices du même signal ont été annoncés dans une série d’articles publiés par des scientifiques en Chine, en Inde, en Europe et en Australie. Ils disent que les signaux peuvent provenir de la fusion de trous noirs supermassifs qui sont pris dans des danses cosmiques, s’encerclant sur des orbites qui se rétrécissent sur des millions d’années. Au cours de ce processus, ils libérer de l’énergie sous la forme d’ondes gravitationnelles qui se répercutent dans tout l’univers – des ondes que les astronomes disent maintenant avoir détectées.
Les scientifiques rapportent que le bruit de fond observé des ondes gravitationnelles a pris de l’importance au fil du temps, fournissant une preuve alléchante qu’il pourrait y avoir des centaines de milliers, voire des millions d’ondes supermassives. trous noirs sur le point de fusionner dans les quelques centaines de milliers d’années à venir, même si les objets gargantuesques eux-mêmes n’ont pas encore été repérés.
Les phares cosmiques comme détecteurs d’ondes gravitationnelles
Pour détecter le fond des ondes gravitationnelles, les astronomes ont étudié des étoiles à rotation rapide appelées millisecondes pulsarsqui sont des étoiles mortes qui tournent jusqu’à 700 fois par seconde avec une régularité étonnante, projetant des faisceaux de lumière à partir de leurs pôles magnétiques, qui sont considérés comme des « impulsions » lorsqu’ils scintillent dans la direction de la Terre.
De tels phares cosmiques peuvent aider à repérer les ondes gravitationnelles des trous noirs qui sont supermassif, des millions à des milliards de fois plus grand que notre soleil. En comparaison, l’Observatoire des ondes gravitationnelles de l’interféromètre laser (LIGO) ne peut détecter que les ondes gravitationnelles provenant de trous noirs plus petits jusqu’à 10 fois plus massif que le soleil.
Si l’étendue béante de l’espace entre la Terre et les pulsars était absolument vide, alors la lumière des horloges cosmiques clignotantes mettrait le même temps pour atteindre la Terre chaque fois qu’elles pulsent dans notre direction. En réalité, la synchronisation des impulsions est influencée par des facteurs tels que le gaz et la poussière dans le milieu interstellaire et les mouvements des pulsars ainsi que la Terre dans la Voie lactée.
Les ondes gravitationnelles étirent et compriment également le tissu espace-temps entre nous et les pulsars, déformant leurs impulsions autrement méticuleusement régulières de n’importe où entre des dizaines de nanosecondes à cinq ans ou plus, ce qui fait que les éclairs lumineux arrivent plus tôt ou plus tard que la normale.
Dans la nouvelle recherche, la « preuve critique » qui trahit la source des signaux comme étant des trous noirs supermassifs est un schéma unique trouvé dans les temps d’arrivée des impulsions d’une antenne cosmique de la taille d’une galaxie de près de 70 millisecondes pulsars dans la Voie lactée, selon un consortium d’astronomes connu sous le nom de North American Nanohertz Observatory for Gravitational Waves (NANOGrav). Les signaux d’ondes gravitationnelles des binaires de trous noirs se chevauchent « comme des voix dans une foule » et entraînent un bourdonnement incessant qui s’intègre comme un motif unique dans les données de synchronisation des pulsars, selon les scientifiques.
Les scientifiques ont extrait ce modèle en observant des faisceaux semblables à des phares à partir de paires de pulsars. À l’aide de divers radiotélescopes comme le maintenant effondré Observatoire d’Arecibo à Porto Rico, le Observatoire de la Banque Verte en Virginie-Occidentale, le Très grand réseau de Karl G. Jansky au Nouveau-Mexique et l’expérience canadienne de cartographie de l’intensité de l’hydrogène (CARILLON) au Canada, ils ont recueilli des données sur le moment de ces impulsions chaque mois pendant 15 ans. Ensuite, ils ont calculé la différence entre les heures d’arrivée réelles des impulsions et leurs heures d’arrivée prévues – qu’ils pouvaient estimer en 1 microseconde, comparable à la mesure de la distance à la lune au millième de millimètre près, disent les scientifiques.
Les signaux d’ondes gravitationnelles très recherchés étaient intégrés dans ces différences, a déclaré Taylor. C’est la première fois que les scientifiques trouvent des preuves convaincantes de tels modèles d’incohérence gravés par un fond d’ondes gravitationnelles, dont les effets sur les éclairs lumineux des pulsars ont été prédits par la théorie de la relativité générale d’Einstein en 1916.
« Nous sommes extraordinairement ravis de voir ce modèle apparaître enfin », a déclaré Taylor.
Franchir le seuil final
Les scientifiques savent que lorsque les trous noirs fusionnent, leur gravité interagit avec les étoiles proches, ce qui draine les énergies orbitales des trous noirs et les rapproche de plus en plus au point de devenir un seul trou noir. Un modèle simple suggère qu’une fois que les trous noirs sont à moins de 3,2 années-lumière les uns des autres, ils fusionnent en émettant des ondes gravitationnelles. Cependant, d’autres modèles ont suggéré que les trous noirs s’étendent sur des échelles de temps plus longues que l’univers lui-même en ce sens qu’ils bloquent leur fusion lorsqu’ils atteignent cette marque de 3,2 années-lumière.
« À un moment donné, les scientifiques craignaient que les trous noirs supermassifs dans les binaires ne se mettent en orbite pour toujours, ne se rapprochant jamais assez pour générer un signal comme celui-ci », a déclaré Luke Zoltan Kelley, professeur adjoint à l’Université de Californie, Berkeley et partie de la collaboration NANOGrav, a déclaré dans un communiqué.
Donc, comment ces trous noirs réduisent leur orbite au-delà de cette distance et finissent par fusionner – connu sous le nom de « problème de parsec final » – n’a pas été très bien compris.
« Pour obtenir ces types d’amplitudes élevées que nous voyons, nous avons besoin de trous noirs assez massifs, et ils doivent former des binaires assez fréquemment et évoluer assez efficacement », a déclaré Kelley.
Si la découverte se déroule et que les signaux détectés finissent par provenir de trous noirs binaires, « alors ils doivent absolument avoir passé le parsec final d’une manière ou d’une autre », a-t-il ajouté.
Quatre études distinctes sur la découverte du fond des ondes gravitationnelles ont été publiées dans The Astrophysical Journal Letters :
L’ensemble de données NANOGrav sur 15 ans : preuves d’un fond d’ondes gravitationnelles
L’ensemble de données NANOGrav sur 15 ans : observations et synchronisation de 68 pulsars millisecondes
L’ensemble de données NANOGrav sur 15 ans : caractérisation du détecteur et budget de bruit
L’ensemble de données NANOGrav sur 15 ans : recherche de signaux issus de la nouvelle physique
Deux études supplémentaires ont été acceptées par The Astrophysical Journal Letters pour publication à une date ultérieure.