L'onde gravitationnelle a été détectée directement pour la première fois en 2015, un siècle après sa prédiction par la théorie de la relativité générale d'Einstein en 1916. Cependant, le fond diffus d'ondes gravitationnelles (FDG), continu et de basse fréquence, supposé présent dans tout l' univers , n'avait jusqu'à présent pas été détecté directement. Les chercheurs de l'Observatoire nord-américain des ondes gravitationnelles en nanohertz (NANOGrav) ont récemment annoncé la détection d'un signal de basse fréquence qui pourrait correspondre au FDG.
La théorie de la relativité générale, proposée par Einstein en 1916, prédit que les événements cosmiques majeurs, tels que les supernovae ou la fusion de trous noirs, devraient produire des ondes gravitationnelles se propageant à travers l' Univers . La Terre devrait être constamment baignée d' ondes gravitationnelles provenant de toutes les directions, mais celles-ci restent indétectables car elles s'affaiblissent considérablement lorsqu'elles atteignent notre planète. Il a fallu près d'un siècle pour parvenir à une détection directe de ces ondes gravitationnelles. En 2015, l'équipe LIGO-Virgo a réussi à détecter les ondes gravitationnelles produites par la fusion de deux trous noirs situés à 1.3 milliard d'années-lumière de la Terre (1) . Cette détection a également permis de recueillir des informations sur cet événement cosmique survenu il y a environ 1.3 milliard d'années.
Depuis la première détection en 2015, de nombreuses ondulations gravitationnelles ont été enregistrées. La plupart étaient dues à la fusion de deux trous noirs , quelques-unes à la collision de deux étoiles à neutrons (2) . Toutes les ondes gravitationnelles détectées jusqu'à présent étaient épisodiques, causées par la fusion ou la collision de paires binaires de trous noirs ou d'étoiles à neutrons en spirale (3) , et présentaient une fréquence élevée et une longueur d'onde courte (de l'ordre de la milliseconde).
Cependant, étant donné le grand nombre possible de sources d' ondes gravitationnelles dans l' univers , de nombreuses ondes gravitationnelles provenant de tout l' univers pourraient traverser la Terre en permanence, formant un bruit de fond. Ce bruit serait continu, aléatoire et de faible fréquence. On estime qu'une partie pourrait même provenir du Big Bang. Appelé bruit de fond gravitationnel (BGF), il n'a pas encore été détecté (3).
Mais nous sommes peut-être sur le point de réaliser une percée – les chercheurs de l’Observatoire nord-américain des nanohertz pour les ondes gravitationnelles (NANOGrav) ont signalé la détection d’un signal à basse fréquence qui pourrait être le « fond d’ondes gravitationnelles (GWB) » (4,5,6).
Contrairement à l'équipe LIGO-Virgo, qui a détecté des ondes gravitationnelles émises par des paires de trous noirs individuelles , l'équipe NANOGrav a recherché des ondes gravitationnelles « combinées », persistantes et comparables à du bruit, créées sur de très longues périodes par d'innombrables trous noirs dans l' univers . L'étude s'est concentrée sur les ondes gravitationnelles de très grande longueur d'onde , à l'autre extrémité du spectre des ondes gravitationnelles.
Contrairement à la lumière et aux autres rayonnements électromagnétiques, les ondes gravitationnelles ne peuvent pas être observées directement avec un télescope.
L'équipe NANOGrav a sélectionné des pulsars millisecondes (MSP) qui tournent très rapidement et présentent une grande stabilité à long terme. Ces pulsars émettent un signal lumineux régulier qui devrait être modifié par les ondes gravitationnelles. L'objectif était d'observer et de surveiller un ensemble de pulsars millisecondes (MSP) ultra-stables afin de détecter des variations corrélées dans le temps d'arrivée des signaux sur Terre, créant ainsi un détecteur d'ondes gravitationnelles de la taille d'une galaxie au sein même de notre galaxie . L'équipe a créé un réseau de chronométrage de pulsars en étudiant 47 de ces pulsars. Les mesures ont été effectuées à l'observatoire d'Arecibo et au radiotélescope de Green Bank.
L'ensemble de données obtenu à ce jour comprend 47 MSP et plus de 12.5 années d'observations. Sur cette base, il n'est pas possible de prouver de manière concluante la détection directe de la GWB bien que les signaux basse fréquence détectés l'indiquent très bien. Peut-être que la prochaine étape serait d'inclure plus de pulsars dans le réseau et de les étudier pendant une période plus longue pour améliorer la sensibilité.
Pour étudier l' univers , les scientifiques dépendaient exclusivement des rayonnements électromagnétiques tels que la lumière, les rayons X, les ondes radio , etc. La détection des ondes gravitationnelles en 2015, totalement indépendantes des rayonnements électromagnétiques, a ouvert de nouvelles perspectives aux scientifiques pour l'étude des corps célestes et la compréhension de l' univers , notamment des phénomènes célestes invisibles aux astronomes électromagnétiques. De plus, contrairement aux rayonnements électromagnétiques, les ondes gravitationnelles n'interagissent pas avec la matière et se propagent donc quasiment sans obstacle, transportant des informations sur leur origine et leur source sans aucune distorsion. (3)
La détection du fond diffus gravitationnel (FDSG) élargirait encore davantage les perspectives. Il deviendrait peut-être même possible de détecter les ondes générées par le Big Bang, ce qui nous permettrait de mieux comprendre l'origine de l'univers .
***
DOI : https://doi.org/10.29198/scieu/2101121
***
Références:
- Castelvecchi D. et Witze A., 2016. Les ondes gravitationnelles d'Einstein enfin découvertes. Nature News 11 février 2016. DOI : https://doi.org/10.1038/nature.2016.19361
- Castelvecchi D., 2020. Ce que 50 événements d'ondes gravitationnelles révèlent sur l'Univers. Nature News Publié le 30 octobre 2020. DOI : https://doi.org/10.1038/d41586-020-03047-0
- LIGO 2021. Sources et types d'ondes gravitationnelles. Disponible en ligne sur https://www.ligo.caltech.edu/page/gw-sources Consulté le 12 janvier 2021.
- Collaboration NANOGrav, 2021. NANOGrav trouve de possibles « premiers indices » de l'arrière-plan des ondes gravitationnelles à basse fréquence. Disponible en ligne sur http://nanograv.org/press/2021/01/11/12-Year-GW-Background.html Consulté le 12 janvier 2021
- Collaboration NANOGrav 2021. Point de presse - À la recherche de l'arrière-plan des ondes gravitationnelles dans 12.5 ans de données NANOGrav. 11 janvier 2021. Disponible en ligne sur http://nanograv.org/assets/files/slides/AAS_PressBriefing_Jan’21.pdf
- Arzoumanian Z., et al 2020. L'ensemble de données NANOGrav 12.5 ans: recherche d'un fond d'onde gravitationnelle stochastique isotrope. The Astrophysical Journal Letters, Volume 905, Numéro 2. DOI : https://doi.org/10.3847/2041-8213/abd401
***
’){kind=link}