NANOGrav entend le « bourdonnement » du fond des ondes gravitationnelles, plus fort que prévu

Les ondes gravitationnelles sont des ondulations dans le tissu de l’espace-temps prédites par la théorie de la relativité générale d’Albert Einstein, détectées pour la première fois en 2015. Mais un arrière-plan d’ondes gravitationnelles à basse fréquence attendu – une sorte de « bourdonnement » composé d’un chœur d’ondes gravitationnelles, très probablement émanant de paires binaires de trous noirs supermassifs – s’est révélée plus insaisissable. Aujourd’hui, l’Observatoire nord-américain des nanohertz pour les ondes gravitationnelles (NANOGrav) a annoncé la première preuve de ce fond d’ondes gravitationnelles. Les résultats et les analyses connexes sont décrits dans plusieurs nouveaux articles publiés dans The Astrophysical Journal Letters.

La collaboration s’est arrêtée avant de revendiquer une détection pure et simple, choisissant plutôt de décrire leurs résultats comme une preuve solide du fond d’onde gravitationnelle attendu. Cela dit, « Dans nos analyses statistiques, il y a moins de 1 chance sur 1 000 que la nature donne nos résultats sans la présence d’ondes gravitationnelles », a déclaré le président de NANOGrav Stephen Taylor de l’Université Vanderbilt lors d’un point de presse.

Comme indiqué précédemment, LIGO détecte les ondes gravitationnelles via l’interférométrie laser, en utilisant des lasers de haute puissance pour mesurer de minuscules changements dans la distance entre deux objets positionnés à des kilomètres l’un de l’autre. LIGO a des détecteurs à Hanford, Washington, et à Livingston, Louisiane. (Un troisième détecteur en Italie, Advanced VIRGO, a été mis en ligne en 2016.) Le 14 septembre 2015, à 5 h 51 HE, les deux détecteurs ont capté des signaux à quelques millisecondes l’un de l’autre pour la toute première fois – preuve directe de deux noirs trous en spirale vers l’intérieur l’un vers l’autre et fusionnant dans un événement de collision massif qui a envoyé de puissantes ondes de choc à travers l’espace-temps. Cette première détection directe a été annoncée le 11 février 2016, a fait la une des journaux du monde entier, a remporté le prix Nobel de physique 2017 et a officiellement lancé une nouvelle ère d’astronomie dite « multi-messagers ».

Si nous avons déjà détecté des ondes gravitationnelles, pourquoi NANOGrav est-il nécessaire ? C’est parce que la collaboration recherche différentes fréquences d’ondes gravitationnelles. La gamme de LIGO se concentre sur les trous noirs restants stellaires et d’autres objets célestes de masse similaire. NANOGrav, en revanche, est une antenne à ondes gravitationnelles de la taille d’une galaxie qui est sensible à des fréquences beaucoup plus basses (d’environ 10 ordres de grandeur) d’ondes gravitationnelles que LIGO. « LIGO ne pourrait jamais, dans ses rêves les plus fous, mesurer ces ondes gravitationnelles à basse fréquence parce que le détecteur n’est tout simplement pas assez grand », a déclaré à Ars la scientifique NANOGRav Chiara Mingerelli de l’Université de Yale. « Nos ondes gravitationnelles ont des longueurs d’onde d’années-lumière. » Les deux approches sont donc complémentaires.

Les racines de NANOGrav remontent aux années 1970, lorsque les scientifiques pensaient qu’il serait possible de tirer parti de la mission Voyager pour rechercher des changements dans les heures d’arrivée des signaux des engins spatiaux lorsqu’ils quittaient le système solaire. Dans les années 1980, des scientifiques ont proposé d’utiliser des étoiles exotiques appelées pulsars dans un but similaire. Alors que de nombreux pulsars ne sont pas suffisamment stables pour le faire, la découverte des pulsars millisecondes a sauvé la situation, car ce sont des « horloges cosmiques » idéales. Comme je l’écrivais en 2014 :

Les pulsars se forment lorsque des étoiles plus massives que notre Soleil explosent et s’effondrent en étoiles à neutrons. Au fur et à mesure qu’ils rétrécissent, ils tournent de plus en plus vite, car le moment cinétique est conservé. (Pensez à ce qui se passe lorsque vous faites tourner un objet autour de votre tête sur une ficelle : plus vous raccourcissez l’attache, plus elle va vite.) Les pulsars émettent également des radiations qui peuvent être captées sur Terre chaque fois que ce faisceau balaie dans notre direction, comme le faisceau tournant d’un phare. Les pulsars les plus rapides, tournant des centaines de fois par seconde, font d’excellentes horloges, comparables aux meilleures horloges atomiques.

L’idée derrière NANOGrav est que lorsque les ondes gravitationnelles s’étirent et rétrécissent l’espace-temps, cela perturbera le « tic-tac » ultra-précis des pulsars. Il devrait y avoir une signature révélatrice sous la forme d’une sorte d’effet de « scintillement », produit parce que les impulsions affectées par les ondes gravitationnelles devraient arriver légèrement plus tôt ou plus tard en réponse à ces ondulations dans l’espace-temps. En étudiant la synchronisation des signaux réguliers produits par de nombreux pulsars millisecondes individuels dispersés dans le ciel à l’époque – appelés « réseau de synchronisation de pulsars » – NANOGrav tente de détecter des changements infimes dans la position de la Terre dus aux effets des ondes gravitationnelles. Il faut juste de nombreuses années pour le faire.

Le premier ensemble de données de NANOGrav couvrait cinq ans de données d’observation pour des pulsars de 17 millisecondes, et la collaboration a depuis ajouté plus de pulsars à leur réseau. La diffusion des données de 2014 couvrait neuf années d’observation. Ensuite, il y a eu la publication de l’ensemble de données sur 11 ans, qui a initialement suscité un enthousiasme considérable parmi les scientifiques de NANOGrav car un signal est apparu qui ressemblait beaucoup au fond des ondes gravitationnelles. Hélas, « il s’est avéré que c’était Jupiter », a déclaré Mingerelli. « Il se trouve que Jupiter a une période orbitale de près de 11 ans. »