Une équipe internationale d’astronomes a détecté un faible signal d’ondes gravitationnelles se répercutant dans l’univers. En utilisant des étoiles mortes comme un réseau géant de détecteurs d’ondes gravitationnelles, la collaboration – appelée NANOGrav – a pu mesurer un bourdonnement à basse fréquence à partir d’un chœur d’ondulations de l’espace-temps.
Je suis un astronome qui étudie et a écrit sur la cosmologie, les trous noirs et les exoplanètes. J’ai étudié l’évolution des trous noirs supermassifs à l’aide du télescope spatial Hubble.
Bien que les membres de l’équipe à l’origine de cette nouvelle découverte n’en soient pas encore certains, ils soupçonnent fortement que le bruit de fond des ondes gravitationnelles qu’ils ont mesuré a été causé par d’innombrables anciens événements de fusion de trous noirs supermassifs.
Les pulsars sont des étoiles mortes en rotation qui émettent de puissants faisceaux de rayonnement et peuvent être utilisées comme des horloges cosmiques précises.
Utilisation des étoiles mortes pour la cosmologie
Les ondes gravitationnelles sont des ondulations dans l’espace-temps causées par des objets massifs en accélération. Albert Einstein a prédit leur existence dans sa théorie générale de la relativité, dans laquelle il a émis l’hypothèse que lorsqu’une onde gravitationnelle traverse l’espace, elle fait rétrécir l’espace puis s’étendre périodiquement.
Les chercheurs ont détecté pour la première fois des preuves directes d’ondes gravitationnelles en 2015, lorsque l’observatoire d’ondes gravitationnelles à interféromètre laser, connu sous le nom de LIGO, a capté un signal provenant d’une paire de trous noirs fusionnés qui avaient parcouru 1,3 milliard d’années-lumière pour atteindre la Terre.
La collaboration NANOGrav tente également de détecter les ondulations spatio-temporelles, mais à l’échelle interstellaire. L’équipe a utilisé des pulsars, des étoiles mortes en rotation rapide qui émettent un faisceau d’émissions radio. Les pulsars sont fonctionnellement similaires à un phare – lorsqu’ils tournent, leurs faisceaux peuvent balayer la Terre à intervalles réguliers.
L’équipe NANOGrav a utilisé des pulsars qui tournent incroyablement vite – jusqu’à 1 000 fois par seconde – et ces impulsions peuvent être chronométrées comme le tic-tac d’une horloge cosmique extrêmement précise. Au fur et à mesure que les ondes gravitationnelles balayent un pulsar à la vitesse de la lumière, les ondes vont très légèrement se dilater et se contracter la distance entre le pulsar et la Terre, modifiant très légèrement le temps entre les tiques.
Les pulsars sont des horloges si précises qu’il est possible de mesurer leur tic-tac avec une précision de 100 nanosecondes. Cela permet aux astronomes de calculer la distance entre un pulsar et la Terre à moins de 100 pieds (30 mètres). Les ondes gravitationnelles modifient la distance entre ces pulsars et la Terre de plusieurs dizaines de kilomètres, ce qui rend les pulsars suffisamment sensibles pour détecter cet effet.
L’équipe NANOGrav a utilisé un certain nombre de radiotélescopes, dont le télescope Green Bank en Virginie-Occidentale, pour écouter les pulsars pendant 15 ans.
NRAO/AUI/NSF, CC BY
Trouver un bourdonnement dans la cacophonie
La première chose que l’équipe NANOGrav a dû faire était de contrôler le bruit dans son détecteur d’ondes gravitationnelles cosmiques. Cela comprenait le bruit dans les récepteurs radio qu’il utilisait et une astrophysique subtile qui affecte le comportement des pulsars. Même en tenant compte de ces effets, l’approche de l’équipe n’était pas assez sensible pour détecter les ondes gravitationnelles des binaires de trous noirs supermassifs individuels. Cependant, il avait suffisamment de sensibilité pour détecter la somme de toutes les fusions massives de trous noirs qui se sont produites n’importe où dans l’univers depuis le Big Bang – jusqu’à un million de signaux qui se chevauchent.
Dans une analogie musicale, c’est comme se tenir dans un centre-ville animé et entendre le faible son d’une symphonie quelque part au loin. Vous ne pouvez pas distinguer un seul instrument à cause du bruit des voitures et des gens qui vous entourent, mais vous pouvez entendre le bourdonnement d’une centaine d’instruments. L’équipe a dû démêler la signature de ce « fond » d’onde gravitationnelle à partir d’autres signaux concurrents.
L’équipe a pu détecter cette symphonie en mesurant un réseau de 67 pulsars différents pendant 15 ans. Si une perturbation du tic-tac d’un pulsar était due aux ondes gravitationnelles de l’univers lointain, tous les pulsars observés par l’équipe seraient affectés de la même manière. Le 28 juin 2023, l’équipe a publié quatre articles décrivant son projet et les preuves qu’elle a trouvées du fond des ondes gravitationnelles.
Le bourdonnement trouvé par la collaboration NANOGrav est produit par la fusion de trous noirs qui sont des milliards de fois plus massifs que le Soleil. Ces trous noirs tournent très lentement les uns autour des autres et produisent des ondes gravitationnelles avec des fréquences d’un milliardième de hertz. Cela signifie que les ondulations de l’espace-temps ont une oscillation toutes les quelques décennies. Cette lente oscillation de l’onde est la raison pour laquelle l’équipe devait s’appuyer sur le chronométrage incroyablement précis des pulsars.
Ces ondes gravitationnelles sont différentes des ondes que LIGO peut détecter. Les signaux de LIGO sont produits lorsque deux trous noirs de 10 à 100 fois la masse du Soleil fusionnent en un seul objet en rotation rapide, créant des ondes gravitationnelles qui oscillent des centaines de fois par seconde.
Si vous considérez les trous noirs comme un diapason, plus l’événement est petit, plus le diapason vibre rapidement et plus la hauteur est élevée. LIGO détecte les ondes gravitationnelles qui « sonnent » dans la plage audible. Les fusions de trous noirs que l’équipe NANOGrav a trouvées « sonnent » avec une fréquence des milliards de fois trop faible pour être entendue.
Le télescope spatial James Webb a permis aux astronomes de remonter le temps et d’étudier les premières galaxies qui se sont formées après le Big Bang.
NASA, ESA, ASC, STScI
Des trous noirs géants dans l’univers primitif
Les astronomes s’intéressent depuis longtemps à l’étude de l’émergence des étoiles et des galaxies au lendemain du Big Bang. Cette nouvelle découverte de l’équipe NANOGrav revient à ajouter une autre couleur – les ondes gravitationnelles – à l’image de l’univers primitif qui commence tout juste à émerger, en grande partie grâce au télescope spatial James Webb.
L’un des principaux objectifs scientifiques du télescope spatial James Webb est d’aider les chercheurs à étudier comment les premières étoiles et galaxies se sont formées après le Big Bang. Pour ce faire, James Webb a été conçu pour détecter la faible lumière d’étoiles et de galaxies incroyablement éloignées. Plus un objet est éloigné, plus il faut de temps à la lumière pour arriver sur Terre, donc James Webb est en fait une machine à voyager dans le temps qui peut regarder plus de 13,5 milliards d’années pour voir la lumière des premières étoiles et galaxies de l’univers.
Il a été très fructueux dans sa quête, ayant trouvé des centaines de galaxies qui ont inondé l’univers de lumière au cours des 700 premiers millions d’années après le big bang. Le télescope a également détecté le plus ancien trou noir de l’univers, situé au centre d’une galaxie qui s’est formée à peine 500 millions d’années après le Big Bang.
Ces découvertes remettent en question les théories existantes sur l’évolution de l’univers.
Il faut beaucoup de temps pour développer une galaxie massive. Les astronomes savent que les trous noirs supermassifs se trouvent au centre de chaque galaxie et ont une masse proportionnelle à leurs galaxies hôtes. Ainsi, ces anciennes galaxies ont presque certainement le trou noir massif correspondant en leur centre.
Le problème est que les objets que James Webb a trouvés sont bien plus gros que ce que la théorie actuelle dit qu’ils devraient être.
Ces nouveaux résultats de l’équipe NANOGrav sont issus de la première occasion pour les astronomes d’écouter les ondes gravitationnelles de l’ancien univers. Les résultats, bien qu’alléchants, ne sont pas assez solides pour prétendre à une découverte définitive. Cela va probablement changer, car l’équipe a élargi son réseau de pulsars pour inclure 115 pulsars et devrait obtenir les résultats de cette prochaine enquête vers 2025. Alors que James Webb et d’autres chercheurs remettent en question les théories existantes sur l’évolution des galaxies, la capacité d’étudier l’ère après le Le Big Bang utilisant les ondes gravitationnelles pourrait être un outil inestimable.
Chris Impey, professeur émérite universitaire d’astronomie, Université d’Arizona
