Le rugissement des ondes gravitationnelles provenant de la fusion de trous noirs supermassifs a été entendu dans l’univers pour la première fois

Après 15 ans de collecte de données dans une expérience de la taille d’une galaxie, les scientifiques ont « entendu » le chœur perpétuel des ondes gravitationnelles ondulant à travers l’univers pour la première fois – et c’est plus fort que prévu.

La découverte révolutionnaire a été faite par des scientifiques du North American Nanohertz Gravitational-Wave Observatory (NANOGrav) qui surveillent de près les étoiles appelées pulsars qui agissent comme des métronomes célestes. Les ondes gravitationnelles nouvellement découvertes – des ondulations dans le tissu de l’espace-temps – sont les plus puissantes jamais mesurées : elles transportent près d’un million de fois plus d’énergie que les ondes gravitationnelles détectées une seule fois par les fusions de trous noirs et d’étoiles à neutrons. Grâce à des expériences comme LIGO et Virgo.

Les scientifiques de Nanograph rapportent dans une série de nouveaux articles qui paraissent aujourd’hui dans Nanograph Lettres du journal astrophysique.

déclare Chiara Mingarelli, scientifique de NANOGrav, qui a travaillé sur les nouvelles découvertes alors qu’elle était assistante de recherche au Center for Computational Astrophysics (CCA) à New York. « C’est la toute première preuve d’un fond d’ondes gravitationnelles. Nous avons ouvert une nouvelle fenêtre d’observation sur l’univers. »

L’existence et la formation d’ondes gravitationnelles de fond – longtemps théoriques mais inconnues – offrent un trésor de nouvelles perspectives sur des questions de longue date, du sort des paires de trous noirs supermassifs à la fréquence des fusions de galaxies.

Pour l’instant, NANOGrav ne peut mesurer que le fond global des ondes gravitationnelles plutôt que le rayonnement des « chanteurs » individuels. Mais même cela a apporté des surprises.

« Le fond des ondes gravitationnelles est environ deux fois plus élevé que prévu », déclare Mingarelli, aujourd’hui professeur adjoint à l’Université de Yale. « C’est vraiment à l’extrémité supérieure de ce que nos modèles peuvent créer à partir de trous noirs supermassifs. »

La taille assourdissante peut résulter de limitations expérimentales ou de trous noirs supermassifs plus lourds et plus abondants. Mais il y a aussi la possibilité que quelque chose d’autre génère de fortes ondes gravitationnelles, dit Mingarelli, comme des mécanismes prédits par la théorie des cordes ou des explications alternatives pour la naissance de l’univers. « La suite est tout », dit-elle. « Ce n’est que le commencement. »

Une expérience à l’échelle de la galaxie

Arriver à ce point a été un défi pour l’équipe NANOGrav pendant des années. Les ondes gravitationnelles qu’ils ont capturées ne ressemblent à rien de ce qui a été mesuré auparavant. Contrairement aux ondes haute fréquence détectées par les instruments au sol tels que LIGO et Virgo, le fond d’ondes gravitationnelles est composé d’ondes ultra haute fréquence. La montée et la descente d’une vague peuvent prendre des années, voire des décennies. Étant donné que les ondes gravitationnelles se déplacent à la vitesse de la lumière, une longueur d’onde individuelle peut représenter des dizaines d’années-lumière.

Aucune expérience sur Terre n’a pu détecter des ondes aussi massives, alors l’équipe de NANOGrav s’est plutôt tournée vers les étoiles. Ils ont observé de près les pulsars, les restes ultra-denses d’étoiles massives devenues supernova. Les pulsars agissent comme des balises stellaires, lançant des faisceaux d’ondes radio depuis leurs pôles magnétiques. Parce que les pulsars tournent si rapidement (parfois des centaines de fois par seconde), ces faisceaux balayent le ciel, apparaissant de notre emplacement sur Terre comme des impulsions rythmiques d’ondes radio.

Les impulsions frappent le sol comme un métronome au timing parfait. Le moment est si précis que lorsque Jocelyn Bell a mesuré les premières ondes radio en 1967, les astronomes ont pensé qu’il pourrait s’agir de signaux provenant d’une civilisation extraterrestre.

Lorsqu’une onde gravitationnelle passe entre nous et le pulsar, elle perturbe la synchronisation des ondes radio. En effet, comme Albert Einstein l’avait prédit, les ondes gravitationnelles étirent et compriment l’espace lorsqu’elles ondulent à travers l’univers, modifiant la distance que les ondes radio doivent parcourir.

Depuis 15 ans, les scientifiques de NANOGrav des États-Unis et du Canada chronométrent les impulsions d’ondes radio de dizaines de pulsars millisecondes dans notre galaxie à l’aide de l’observatoire d’Arecibo à Porto Rico, du télescope Green Bank en Virginie-Occidentale et du Very Large Array au Nouveau-Mexique. Les nouvelles découvertes sont le résultat d’une analyse détaillée d’un groupe de 67 pulsars.

« Les pulsars sont en fait des sources radio très faibles, nous avons donc besoin de milliers d’heures par an sur les plus grands télescopes du monde pour faire cette expérience », explique Maura McLaughlin de l’Université de Virginie-Occidentale, codirectrice du Physics Frontiers Nanograph Center. « Ces découvertes sont rendues possibles grâce à l’engagement continu de la National Science Foundation (NSF) envers ces observatoires radio très sensibles. »

Détection d’arrière-plan

En 2020, avec un peu plus de 12 ans de données, les scientifiques de NANOGrav ont commencé à voir des indices d’un signal, un « bourdonnement » supplémentaire commun au comportement temporel de tous les pulsars du réseau. Maintenant, après trois années d’observations supplémentaires, ils ont accumulé des preuves tangibles de l’existence du fond d’ondes gravitationnelles.

« Maintenant que nous avons des preuves d’ondes gravitationnelles, la prochaine étape consiste à utiliser nos observations pour étudier les sources qui produisent ce bourdonnement », déclare Sarah Vigeland de l’Université du Wisconsin-Milwaukee, présidente du groupe de travail sur la détection NANOGrav.

Les sources les plus probables de fond d’ondes gravitationnelles sont des paires de trous noirs supermassifs capturés dans une spirale de la mort. Ces trous noirs sont vraiment massifs, contenant des milliards de la masse du soleil. Presque toutes les galaxies, y compris notre propre Voie lactée, ont au moins une galaxie géante en leur centre. Lorsque deux galaxies fusionnent, des trous noirs supermassifs peuvent se rencontrer et se mettre en orbite. Au fil du temps, leurs orbites se rétrécissent à mesure que 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 ont soutenu pendant des décennies que les trous noirs s’écrasent ensuite indéfiniment lorsqu’ils sont séparés par un parsec (environ trois années-lumière). Cette théorie de la proximité mais pas du cigare est connue sous le nom de dernier problème de parsec. Dans ce scénario, seules de rares combinaisons de trois trous noirs supermassifs ou plus conduisent à des fusions.

Cependant, les paires de trous noirs supermassifs peuvent avoir un tour dans leur manche. Ils peuvent émettre de l’énergie comme de puissantes ondes gravitationnelles en orbite autour jusqu’à ce qu’ils finissent par entrer en collision dans une conclusion catastrophique. « Une fois que deux trous noirs se sont suffisamment rapprochés pour être vus par des réseaux de synchronisation de pulsars, rien ne peut les empêcher de fusionner en seulement quelques millions d’années », déclare Luke Kelley de l’Université de Californie à Berkeley, responsable du groupe d’astrophysique NANOGrav.

L’existence du fond d’ondes gravitationnelles trouvé par NANOGrav semble étayer cette prédiction, ce qui pourrait résoudre le récent problème de parsec.

Parce que des paires de trous noirs supermassifs sont formées par des fusions de galaxies, leur abondance d’ondes gravitationnelles aidera les cosmologistes à estimer la fréquence à laquelle les galaxies entrent en collision tout au long de l’histoire de l’univers. Mingarelli, la chercheuse postdoctorale Deborah C. Judd du CCA et de l’Université du Connecticut et ses collègues ont étudié l’intensité du fond des ondes gravitationnelles. Ils estiment que des centaines de milliers ou peut-être un million ou plus de binaires de trous noirs supermassifs peuplent l’univers.

sources alternatives

Toutes les ondes gravitationnelles détectées par NANOGrav ne proviennent pas nécessairement de paires de trous noirs supermassifs. D’autres propositions théoriques prédisent également des ondes dans la gamme des très basses fréquences. La théorie des cordes prédit, par exemple, que des failles unidimensionnelles appelées cordes cosmiques peuvent s’être formées dans l’univers primitif. Ces cordes peuvent dissiper de l’énergie en émettant des ondes gravitationnelles. Une autre suggestion est que l’univers n’a pas commencé avec le Big Bang mais plutôt avec le Big Bounce, dans lequel l’univers négatif s’est effondré sur lui-même avant de s’étendre vers l’extérieur. Dans une telle histoire d’origine, les ondes gravitationnelles de l’accident se propageraient encore dans l’espace-temps.

Il est également possible que les pulsars ne soient pas les détecteurs d’ondes gravitationnelles parfaits que les scientifiques pensent qu’ils soient, et qu’ils aient plutôt une asymétrie inconnue faussant les résultats de NANOGrav. « Nous ne pouvons pas marcher jusqu’à un pulsar et l’allumer et l’éteindre à nouveau pour voir si quelque chose ne va pas », dit Mingarelli.

L’équipe NANOGrav espère explorer tous les contributeurs possibles au fond d’ondes gravitationnelles nouvellement découvert alors qu’ils continuent à surveiller les pulsars. Le groupe prévoit de décomposer le fond en fonction de la fréquence des ondes et de leur origine dans le ciel.

effort international

Heureusement, l’équipe NANOGrav n’est pas seule dans sa quête. Plusieurs articles publiés aujourd’hui par une collaboration utilisant des télescopes en Europe, en Inde, en Chine et en Australie indiquent les mêmes signaux de fond d’ondes gravitationnelles dans leurs données. Grâce au consortium International Pulsar Timing Matrix, des groupes individuels mettent en commun leurs données pour mieux caractériser le signal et identifier ses sources.

« Nos données combinées seront encore plus puissantes », déclare Stephen Taylor de l’Université Vanderbilt, qui a codirigé la nouvelle recherche et préside actuellement la collaboration NANOGrav. « Nous sommes ravis de découvrir les secrets qu’ils révéleront sur notre univers. »