Un « bourdonnement » de fond imprègne l’univers. Les scientifiques se précipitent pour trouver sa source

Aug 04, 2023

Les astronomes cherchent maintenant à identifier les origines d’une nouvelle forme passionnante d’ondes gravitationnelles annoncée plus tôt cette année.

En juin, une nouvelle ère en astronomie a commencé avec la découverte apparente des ondes gravitationnelles de basse fréquence, le bourdonnement ambiant des ondulations de l’espace-temps qui imprègnent l’univers. Cette annonce est le fruit d’une vaste collaboration de chercheurs du monde entier. Des groupes aux États-Unis, en Europe, en Inde, en Australie et en Chine travaillent chacun sur leurs propres expériences similaires et mettent en commun leurs données pour améliorer les résultats. Ayant désormais en main les preuves de ces ondes gravitationnelles inédites, toutes ces équipes disparates collectent fébrilement davantage de données pour un objectif plus ambitieux : comprendre exactement d’où vient réellement ce bourdonnement de fond. De nombreux experts soupçonnent que le bourdonnement provient principalement de paires de trous noirs supermassifs en spirale dans le processus progressif de fusion, mais il pourrait plutôt provenir de sources encore plus étranges qui pourraient représenter de nouvelles branches passionnantes de la physique. «Nous sommes au tout début du domaine», déclare Chiara Mingarelli de l'Université de Yale, qui fait partie de la collaboration dirigée par les États-Unis, NANOGrav.

L'annonce a été faite le 28 juin par NANOGrav et les autres réseaux de synchronisation de pulsars (PTA), qui utilisent des radiotélescopes pour suivre l'heure d'arrivée précise des éclairs réguliers des pulsars, des étoiles à neutrons en rotation rapide laissées sur place après les supernovae. En utilisant des dizaines de pulsars et en surveillant les temps d’arrivée des impulsions avec une précision de l’ordre de la nanoseconde sur des échelles de temps décennales, ils peuvent discerner les ondes gravitationnelles de fond traversant notre système solaire. De telles ondes rétrécissent ou élargissent légèrement l'espace intermédiaire entre notre planète et les pulsars ciblés, créant ainsi des décalages révélateurs dans les heures d'arrivée des impulsions. Ce résultat étonnant fait suite à une époque de découvertes antérieure qui a commencé en 2015, lorsque l’Observatoire des ondes gravitationnelles à interféromètre laser (LIGO) a détecté pour la première fois des ondes gravitationnelles produites par la collision de trous noirs de masse stellaire et d’étoiles à neutrons. LIGO, son homologue européen Virgo et des installations similaires poursuivent aujourd’hui leur chasse à ces ondes gravitationnelles de plus haute fréquence.

La preuve d'un bourdonnement de fond d'ondes gravitationnelles basse fréquence provient d'un total de 115 pulsars observés sur de nombreuses années par plusieurs équipes. Des efforts sont désormais en cours pour combiner toutes ces données de synchronisation des pulsars en un seul ensemble de données dans le cadre de l'International Pulsar Timing Array (IPTA), ce qui améliorera la sensibilité globale de l'ensemble de données. « Nous y travaillons ensemble », déclare Mingarelli. « Nous avons un représentant de chaque PTA [working] pour commencer à combiner les données. » Cet effort collectif se poursuit depuis deux ans déjà, et des résultats plus définitifs devraient apparaître d'ici la fin de 2023 ou dans le courant de 2024. « Cela va être l'ensemble de données de réseau de synchronisation de pulsars le plus sensible jamais rassemblé. » déclare Nihan Pol de l'Université Vanderbilt.

L'implication ambivalente de la Chine dans sa participation aux efforts de l'IPTA complique quelque peu les choses. "Ils ne font pas partie de l'accord pour cette publication de données", déclare Scott Ransom de l'Observatoire national de radioastronomie (NRAO) en Virginie. « Au cours des prochains mois, ils diront peut-être qu’ils veulent jouer gentiment avec le reste de la communauté, ou ils continueront peut-être à y aller seuls. Nous ne le savons tout simplement pas. L'équipe chinoise du Pulsar Timing Array occupe une position enviable car elle a un accès illimité à l'immense radiotélescope sphérique à ouverture de cinq cents mètres (FAST) dans la région sud-ouest du pays. FAST est bien plus sensible que n’importe quel radiotélescope existant actuellement et deux fois plus puissant que le télescope d’Arecibo à Porto Rico, qui s’est effondré en 2020. « [FAST] est bien meilleur que presque tous les autres [radio] télescopes dans le monde », Ransom dit. "C'est incroyable pour les pulsars, point final." Par exemple, bien que la PTA chinoise n'ait passé que trois ans à chronométrer les pulsars avec FAST, elle a quand même réussi à trouver des indices similaires d'ondes gravitationnelles basse fréquence qui ont mis 15 ans à être découverts par NANOGrav. Les membres de l’équipe chinoise PTA n’ont pas répondu aux demandes de commentaires de Scientific American.