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Fond d'onde gravitationnelle (GWB) : une percée dans la détection directe

LES SCIENCESLA PHYSIQUEFond d'onde gravitationnelle (GWB) : une percée dans la détection directe

L'onde gravitationnelle a été directement détectée pour la première fois en 2015 après un siècle de sa prédiction par la théorie de la relativité générale d'Einstein en 1916. pas été détecté directement jusqu'à présent. Les chercheurs de l'Observatoire nord-américain de nanohertz pour les ondes gravitationnelles (NANOGrav) ont récemment signalé la détection d'un signal basse fréquence qui pourrait être un « fond d'ondes gravitationnelles (GWB) ».   

La théorie générale de la relativité proposée par Einstein en 1916 prédit que les événements cosmiques majeurs tels que la supernova ou la fusion de les trous noirs devrait produire des ondes gravitationnelles qui se propagent dans l'Univers. La Terre devrait être inondée d'ondes gravitationnelles provenant de toutes les directions tout le temps, mais celles-ci ne sont pas détectées car elles deviennent extrêmement faibles au moment où elles atteignent la Terre. Il a fallu environ un siècle pour effectuer une détection directe des ondulations gravitationnelles lorsqu'en 2015, l'équipe LIGO-Virgo a réussi à détecter les ondes gravitationnelles produites en raison de la fusion de deux trous noirs situés à une distance de 1.3 milliard d'années-lumière de la Terre. (1). Cela signifiait également que les ondulations détectées étaient porteuses d'informations sur l'événement cosmique qui a eu lieu il y a environ 1.3 milliard d'années.  

Depuis la première détection en 2015, bon nombre de ondulations gravitationnelles ont été enregistrés jusqu'à ce jour. La plupart d'entre eux étaient dus à la fusion de deux trous noirs, peu étaient dus à la collision de deux étoiles à neutrons (2). Toutes les ondes gravitationnelles détectées jusqu'à présent étaient épisodiques, causées par une paire binaire de trous noirs ou d'étoiles à neutrons en spirale et fusionnant ou entrant en collision les uns avec les autres (3) et étaient de haute fréquence, de courte longueur d'onde (en millisecondes).   

Cependant, étant donné qu'il existe un grand nombre de sources d'ondes gravitationnelles dans l'univers, de nombreuses ondes gravitationnelles provenant de tout l'univers peuvent traverser en permanence la terre en formant un arrière-plan ou un bruit. Celui-ci doit être continu, aléatoire et de faible fréquence. On estime qu'une partie de celui-ci peut même provenir du Big Bang. Appelé fond d'onde gravitationnelle (GWB), cela n'a pas été détecté jusqu'à présent (3).  

Mais nous sommes peut-être sur le point d'une percée - les chercheurs de l'Observatoire nord-américain de nanohertz pour les ondes gravitationnelles (NANOGrav) ont signalé la détection d'un signal basse fréquence qui pourrait être un "fond d'ondes gravitationnelles (GWB)". (4,5,6).  

Contrairement à l'équipe LIGO-virgo qui a détecté une onde gravitationnelle à partir de paires individuelles de trous noirs, l'équipe NANOGrav a recherché une onde gravitationnelle «combinée» persistante, semblable à du bruit, créée sur une très longue période par d'innombrables trous noirs dans l'univers. L'accent était mis sur les ondes gravitationnelles « à 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 choisi milliseconde pulsars (MSP) qui tournent très rapidement avec une stabilité à long terme. Il y a un motif constant de lumière provenant de ces pulsateurs qui devrait être modifié par l'onde gravitationnelle. L'idée était d'observer et de surveiller un ensemble de pulsars millisecondes ultra-stables (MSP) pour les changements corrélés dans le moment de l'arrivée des signaux sur Terre, créant ainsi un détecteur d'ondes gravitationnelles « de la taille d'une galaxie » au sein de notre propre galaxie. L'équipe a créé un réseau de synchronisation de pulsars en étudiant 47 de ces pulsars. L'observatoire d'Arecibo et le télescope de Green Bank étaient les radiotélescopes utilisés pour les mesures.   

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. Étant complètement sans rapport avec les rayonnements électromagnétiques, la détection de la gravitation en 2015 a ouvert une nouvelle fenêtre d'opportunité aux scientifiques pour étudier les corps célestes et comprendre le l'univers en particulier les événements célestes qui sont invisibles pour les astronomes électromagnétiques. De plus, contrairement au rayonnement électromagnétique, les ondes gravitationnelles n'interagissent pas avec la matière et se déplacent donc pratiquement sans entrave en transportant des informations sur leur origine et leur source sans aucune distorsion.(3)

La détection du bruit de fond des ondes gravitationnelles (GWB) élargirait encore les possibilités. Il pourrait même devenir possible de détecter les ondes générées par le Big Bang, ce qui pourrait nous aider à mieux comprendre l'origine de l'univers.

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Références:  

  1. 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  
  1. 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  
  1. 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. 
  1. 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 
  1. 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  
  1. 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  

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Umesh Prasad
Umesh Prasad
Rédacteur en chef, Scientific European

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