Concept d’artiste d’une collection de pulsars qui détectent les ondes gravitationnelles de paires de trous noirs supermassifs en orbite. Crédit : Aurore Simonnet pour la Collaboration NANOGrav
Les scientifiques ont rapporté la première preuve que notre Terre et l’univers qui nous entoure sont inondés dans un arrière-plan d’ondulations de l’espace-temps appelé ondes gravitationnelles. Les ondes oscillent très lentement au fil des années, voire des décennies, et on pense qu’elles proviennent principalement de paires de trous noirs supermassifs qui tournent tranquillement ensemble avant de fusionner.
Une quête de 15 ans
Cette découverte révolutionnaire, détaillée dans une série d’articles dans Le Lettres du journal astrophysique, est le résultat de 15 années d’observations méticuleuses par l’Observatoire nord-américain du nanohertz pour les ondes gravitationnelles (NANOGrav). En tant que Physics Frontier Center financé par la National Science Foundation (NSF), NANOGrav comprend plus de 190 scientifiques des États-Unis et du Canada. Ils ont utilisé des radiotélescopes à l’observatoire d’Arecibo à Porto Rico, au télescope Green Bank en Virginie-Occidentale et au Very Large Array au Nouveau-Mexique pour surveiller 68 étoiles mortes, appelées pulsars, dans le ciel. Les pulsars agissaient comme un réseau de bouées flottant sur une mer lente d’ondes gravitationnelles.
Instaurer la confiance dans les résultats
« L’effet des ondes gravitationnelles sur les pulsars est extrêmement faible et difficile à détecter, mais nous avons renforcé la confiance dans les résultats au fil du temps au fur et à mesure que nous collectons plus de données », explique Katerina Chatziioannou, membre de l’équipe NANOGrav et professeure adjointe de physique à Caltech. . « À l’avenir, nous continuerons à faire plus d’observations et comparerons nos résultats avec ceux de partenaires internationaux, ce qui nous permettra d’en apprendre davantage à partir des données. »
Katerina Chatziioannou. 1 crédit
Démêler les trous noirs
« Nous avons une nouvelle façon de sonder ce qui se passe lorsque les trous noirs monstrueux au cœur des galaxies commencent une spirale de mort lente mais inexorable », explique Joseph Lazio, membre de l’équipe NANOGrav, scientifique principal au Jet Propulsion Laboratory (JPL), et un associé invité en astronomie à Caltech, qui gère le JPL pour Nasa. « Nous pensons que ce processus est standard pour de nombreuses galaxies, et nous avons vu de nombreux exemples à différentes étapes, mais nous commençons enfin à entrevoir l’une des étapes finales clés. »
Joseph Latium. 1 crédit
Ondes gravitationnelles – Un concept einsteinien
Albert Einstein a proposé pour la première fois le concept d’ondes gravitationnelles en 1916. Cependant, ce n’est qu’environ un siècle plus tard qu’elles ont été directement détectées par la NSF, financée par la NSF. LIGO (Observatoire d’ondes gravitationnelles à interféromètre laser). Ils ont détecté des ondes provenant d’une paire de trous noirs en collision distants.
Contrairement à LIGO, qui détecte les ondes gravitationnelles avec une fréquence beaucoup plus élevée, NANOGrav, comme son nom l’indique, se concentre sur les ondes gravitationnelles à basse fréquence dans la gamme nanohertz, c’est-à-dire un cycle toutes les quelques années.
Les ondes gravitationnelles à haute fréquence proviennent de paires plus petites de trous noirs se glissant rapidement les uns autour des autres dans les dernières secondes avant leur collision, tandis que les ondes à basse fréquence sont censées être générées par d’énormes trous noirs au cœur des galaxies, jusqu’à des milliards de fois la masse de notre soleil, qui se bousculent lentement et ont encore des millions d’années avant de fusionner.
Le bourdonnement collectif de la fusion des trous noirs
Dans les nouvelles études, on pense que NANOGrav a capté un bourdonnement collectif d’ondes gravitationnelles provenant de nombreuses paires de trous noirs supermassifs fusionnant dans tout l’univers. « Les gens comparent ce signal à un bruit de fond plutôt qu’aux cris que LIGO capte », explique Chatziioannou, qui est également membre de l’équipe LIGO et boursier William H. Hurt.
Patrick Meyers. 1 crédit
« C’est comme si vous étiez à un cocktail et que vous ne pouviez distinguer aucune voix en particulier. Nous n’entendons que le bruit de fond », explique Patrick Meyers, membre de l’équipe NANOGrav et associé de recherche postdoctoral à Caltech, qui a aidé à mener des tests statistiques sur les résultats.
Comprendre le bourdonnement cosmique
Le réseau de pulsars de NANOGrav est également connu sous le nom de pulsar-tableau de synchronisation. Les pulsars, qui se sont formés à partir des explosions d’étoiles massives, envoient des balises de lumière qui tournent rapidement à des intervalles très précis. «Ce sont comme des phares qui défilent à un rythme régulier. Vous pouvez prédire la synchronisation à un niveau de dizaines de nanosecondes. Elles ont le même niveau de précision que les horloges atomiques dans certains cas », explique Meyers.
Lorsque les ondes gravitationnelles traversent le cosmos, elles étirent et compriment très légèrement le tissu de l’espace-temps. Cet étirement et cette compression peuvent entraîner un changement minutieux de la distance entre la Terre et un pulsar donné, ce qui entraîne des retards ou des avances dans la synchronisation des éclairs de lumière des pulsars. Pour rechercher le bruit de fond des ondes gravitationnelles, l’équipe scientifique a développé des logiciels pour comparer la synchronisation des paires de pulsars dans leur réseau. Les ondes gravitationnelles modifieront cette synchronisation à des degrés différents en fonction de la proximité des pulsars dans le ciel, un schéma initialement calculé théoriquement par Ron Hellings et George Downs au JPL au début des années 1980.
Michèle Vallisneri. 1 crédit
« Imaginez de nombreuses ondulations sur un océan à partir de paires de trous noirs supermassifs dispersés partout », explique Lazio. « Maintenant, nous sommes assis ici sur Terre, qui agit comme une bouée avec les pulsars, et nous essayons de mesurer comment les ondulations changent et font que les autres bouées se rapprochent et s’éloignent de nous. »
« Pour démêler le fond des ondes gravitationnelles, nous avons dû identifier une multitude d’effets déroutants, tels que le mouvement des pulsars, les perturbations dues aux électrons libres dans notre galaxie, les instabilités des horloges de référence des observatoires radio , et même l’emplacement précis du centre du système solaire, que nous avons déterminé avec l’aide de Juno de la NASA et Cassini missions », explique Michele Vallisneri, membre de l’équipe NANOgrav, chercheur principal au JPL et associé invité en astrophysique théorique à Caltech.
Autres explorations et conclusions
Les futurs résultats de NANOGrav comprendront le télescope canadien CHIME, qui a rejoint le projet en 2019. Le Deep Synoptic Array-2000, ou DSA-2000, de Caltech, un réseau de 2 000 antennes radio qui devrait être construit dans le désert du Nevada et commencer ses opérations en 2027, sera également rejoindre la recherche.
Les scientifiques espèrent répondre aux mystères sur la nature de la fusion des trous noirs supermassifs, tels que leur fréquence, ce qui les rassemble et quels autres facteurs contribuent à leur coalescence.
« Les gens ont essayé de trouver la fusion de trous noirs supermassifs avec des télescopes pendant des années », explique Chatziioannou. « Ils se rapprochent et trouvent plus de candidats, mais parce que les trous noirs sont si proches les uns des autres, ils sont difficiles à distinguer. Avoir des ondes gravitationnelles comme nouvel outil aidera à mieux comprendre ces bêtes énigmatiques. »
« C’était une expérience tellement belle et improbable : assembler un détecteur d’ondes gravitationnelles de taille galactique animé par l’impulsion d’étoiles mortes à travers notre galaxie et réunir une équipe multidisciplinaire de radioastronomes, d’experts en étoiles à neutrons et en trous noirs, et en gravitationnelle. -scientifiques des ondes », explique Vallisneri.
Pour en savoir plus sur cette recherche :
- Des ondes gravitationnelles provenant de la fusion de trous noirs supermassifs « entendues » pour la première fois
- Ondes gravitationnelles détectées à l’aide d' »horloges cosmiques » et de distorsions spatiales
Les autres membres de l’équipe Caltech et JPL incluent le post-doctorant Caltech Aaron Johnson, qui a dirigé un effort pour examiner et valider le code d’analyse principal qui a produit tous les résultats clés ; Curt Cutler, chercheur principal au JPL, qui a aidé à formuler des traitements statistiques des données ; et Sophie Hourihane, étudiante diplômée de Caltech, qui a développé une nouvelle méthode pour accélérer les analyses de NANOGrav.
Une série d’articles détaillant les nouveaux résultats de NANOGrav ont été publiés dans Les lettres du journal astrophysique. L’article décrivant les preuves des ondes gravitationnelles, intitulé « The NANOGrav 15-year Data Set: Evidence for a Gravitational-Wave Background », a été co-dirigé par deux anciens post-doctorants JPL / Caltech, Sarah Vigeland (maintenant à l’Université du Wisconsin, Milwaukee) et Stephen Taylor (maintenant à l’Université Vanderbilt).
