Détection des ondes gravitationnelles des trous noirs supermassifs grâce aux pulsars

L’Univers vibre au son d’événements cataclysmiques. Depuis 2015, les astrophysiciens des collaborations LIGO, Virgo et KAGRA écoutent le cosmos grâce à des interféromètres laser de plusieurs kilomètres. Ces chercheurs ont confirmé une prédiction centenaire d’Albert Einstein : l’espace-temps se déforme en présence de matière ou d’énergie et peut également osciller dans certaines circonstances. Ces ondes se propagent à la vitesse de la lumière sur des milliards d’années-lumière avant de perturber de manière infime les détecteurs sur Terre. Cependant, ces interféromètres ne sont sensibles qu’à une petite fenêtre de fréquences correspondant à certains phénomènes spécifiques émetteurs d’ondes gravitationnelles. Pour observer d’autres sources, il est nécessaire de changer de détecteurs et de regarder à différentes fréquences, ce qui représente un défi pour les équipes de recherche dans le monde entier.

Les nouvelles sources d’ondes gravitationnelles envisagées incluent les trous noirs supermassifs, qui se trouvent au centre des galaxies et peuvent commencer une danse lors de la collision de deux galaxies. Contrairement aux petits trous noirs dont les signaux oscillent autour de 100 hertz, ceux d’un système de deux trous noirs supermassifs se situent dans la gamme du nanohertz (10⁻⁹ hertz). Cela signifie que le signal émis a une longueur d’onde gigantesque. Stas Babak, directeur de recherche CNRS à l’APC, souligne que ces ondes à très basse fréquence portent des informations cruciales sur certains des secrets les mieux gardés de l’Univers.

La détection de ces basses fréquences pose un défi. Alors que les ondes observées par LIGO et Virgo oscillent une centaine de fois par seconde, il faut des années pour qu’une onde émise par un système binaire de trous noirs supermassifs oscille une seule fois. Les bras des interféromètres LIGO et Virgo ment entre 3 et 4 kilomètres, mais pour les binaires de trous noirs supermassifs, il faudrait un dispositif dont les longueurs typiques se ment en années-lumière, nécessitant ainsi un détecteur d’échelle galactique.

Pour traquer ces ondes gravitationnelles, Mikhail Sazhin, de l’institut astronomique Sternberg à Moscou, a proposé dès 1978 d’utiliser un réseau de pulsars. Ces étoiles à neutrons émettent un faisceau de lumière intense et leur période de rotation, extrêmement régulière, permettrait de détecter des variations infimes causées par le passage d’une onde gravitationnelle. Lucas Guillemot, astronome adjoint au LPC2E, explique que les pulsars agissent comme des horloges naturelles, permettant de mer les dilatations et contractions de l’espace-temps.

Depuis la fin des années 2000, trois grandes collaborations, EPTA, NANOgrav et PPTA, recherchent indépendamment ces signaux. En 2021, elles avaient annoncé des indices encourageants de détection, mais des données supplémentaires étaient nécessaires pour renforcer ces résultats. Les équipes ont depuis synchronisé la publication de leurs données, avec l’équivalent de 25 années d’observation sur les pulsars les plus stables.

La preuve d’une détection repose sur l’obtention d’une courbe, dite « de Hellings et Downs », qui permet de caractériser un signal gravitationnel. Les analyses récentes indiquent un signal de fond stochastique d’ondes gravitationnelles avec une probabilité de 0,1 % d’être dû à une fluctuation statistique, qualifié de « signal significatif ». Toutefois, une découverte définitive est généralement considérée à cinq sigmas, nécessitant davantage de données.

Les astrophysiciens envisagent de sonder le mouvement des couples de trous noirs supermassifs formés lors des fusions de galaxies. Une question demeure : ces objets fusionnent-ils réellement ou tournent-ils indéfiniment l’un autour de l’autre ? Si le signal du fond stochastique se confirme, cela pourrait indiquer que ces monstres fusionnent effectivement.

Bien que les mes actuelles ne permettent de détecter que le fond stochastique, il existe une possibilité d’identifier un événement unique. Les membres de l’équipe américaine ont observé que l’amplitude du signal du fond stochastique est deux fois plus élevée que prévu, soulevant des questions sur la quantité de trous noirs supermassifs dans l’Univers ou d’autres sources d’ondes gravitationnelles non prises en compte.

Les recherches dans ce domaine promettent de nombreuses surprises à venir.

Source : Pour la Science