Les pulsars suggèrent que des ondes gravitationnelles ultra-basse fréquence se propagent à travers le cosmos. Le signal observé par les collaborations internationales de réseaux de synchronisation de pulsars en 2023 pourrait provenir d’un fond d’ondes gravitationnelles stochastiques – la somme de nombreuses sources distantes – ou d’un seul binaire proche de trous noirs supermassifs.
Pour les différencier, Hideki Asada, physicien théoricien et professeur à l'Université de Hirosaki, et Shun Yamamoto, chercheur à la Graduate School of Science and Technology de l'Université de Hirosaki, proposent une méthode qui exploite les phénomènes de battement entre les ondes gravitationnelles à presque la même fréquence, recherchant leur empreinte dans les minuscules décalages des temps d'arrivée des impulsions radio des pulsars.
Leurs travaux ont été publiés dans le Journal de cosmologie et de physique des astroparticules.
Le ciel est rempli d'« horloges cosmiques » d'une précision exquise : des pulsars, des étoiles à neutrons qui émettent des impulsions radio à intervalles réguliers, comme un tic-tac régulier. Les radiotélescopes sur Terre surveillent leur périodicité, non seulement pour étudier les pulsars eux-mêmes, mais aussi pour les utiliser comme outils pour sonder l'univers.
Si quelque chose d’invisible – presque un « fantôme cosmique » – déforme l’espace-temps le long du trajet allant d’un pulsar à la Terre, la régularité des impulsions change. L’anomalie n’est pas aléatoire : des déviations similaires apparaissent entre les pulsars dans certaines régions du ciel, comme si une ondulation ondulante les traversait.
« En 2023, plusieurs collaborations avec des réseaux de synchronisation de pulsars – NANOGrav aux États-Unis et dans des équipes européennes – ont annoncé des preuves solides de l'existence d'ondes gravitationnelles nanohertz », note Asada.
Nanohertz signifie des périodes d'onde allant de plusieurs mois à plusieurs années, avec des longueurs d'onde de plusieurs années-lumière. Pour sonder de telles échelles, nous nous appuyons sur des pulsars distants et stables situés à des centaines, voire des milliers d’années-lumière.
« Le signal était statistiquement fiable mais inférieur au seuil de 5 sigma habituellement exigé par les physiciens des particules », poursuit-il. « C'est une « preuve solide », mais pas encore une détection confirmée, mais la communauté de la cosmologie et de l'astrophysique pense que nous approchons de la première détection d'ondes gravitationnelles nanohertz. »
Pour l’instant, la certitude est inférieure au seuil de référence ; Si les données futures le corroborent, affirme Asada, le prochain défi consistera à identifier la source.
« Il existe deux principales sources potentielles d'ondes gravitationnelles nanohertz », explique-t-il.
« L'un est l'inflation cosmique, qui aurait créé des fluctuations spatio-temporelles au tout début de l'univers, ensuite étendues à des échelles cosmiques. L'autre concerne les trous noirs supermassifs binaires, qui se forment lorsque les galaxies fusionnent. Les deux scénarios pourraient générer des ondes gravitationnelles nanohertz. »
La difficulté est que les modèles de corrélation dans les données des pulsars – la façon dont les résidus de synchronisation des différents pulsars sont corrélés – ont longtemps été considérés comme identiques dans les deux cas.
« Dans notre article, nous avons exploré la situation dans laquelle une paire de trous noirs supermassifs proches produit un signal particulièrement fort », explique Asada. « Si deux de ces systèmes ont des fréquences très similaires, leurs ondes peuvent interférer et créer un rythme de battement, comme en acoustique. Cette caractéristique pourrait, en principe, nous permettre de les distinguer du fond stochastique de l'inflation. »
Asada et Yamamoto exploitent donc un effet acoustique familier : les battements. Lorsque deux ondes ont presque – mais pas exactement – la même fréquence, leur superposition produit un renforcement et un affaiblissement périodiques.
Appliqués aux ondes gravitationnelles, deux trous noirs supermassifs binaires avec des fréquences similaires imprimeraient une modulation caractéristique dans le signal de synchronisation du pulsar. La méthode consiste à rechercher cette modulation – le « battement » – dans les modèles de corrélation des pulsars. S'il est présent, cela suggère fortement que le signal n'est pas un fond diffus mais provient de binaires spécifiques relativement proches.
« Je pense qu'une fois qu'une détection confirmée à 5 sigma sera obtenue, peut-être d'ici quelques années, la prochaine étape sera de se demander : quelle est l'origine des ondes ? À ce stade, notre méthode pourrait être utile pour distinguer si elles proviennent de l'inflation ou de trous noirs supermassifs proches », conclut Asada.
