‘Chœur’ des ondes gravitationnelles trouvées

Ondes gravitationnellesdes ondulations dans le tissu de l’espace-temps prédites par Albert Einstein il y a plus d’un siècle, imprègnent l’univers à basses fréquences, selon un projet pluriannuel de la National Science Foundation dirigé par des scientifiques de l’Oregon State University.

Les résultats apparaissent dans une collection de quatre articles rédigés par des chercheurs du NANOGrav Physics Frontier Center co-dirigé par Xavier Siemens, professeur de physique à l’OSU College of Science.

La preuve des ondes gravitationnelles, dont les oscillations sont mesurées en années et en décennies, a été publiée cette semaine dans The Astrophysical Journal Letters.

« Dans la quête constante de faire progresser les connaissances et la compréhension humaines, il s’agit d’une étape vraiment importante tout au long du voyage », a déclaré Siemens.

NANOGrav, qui signifie Observatoire nord-américain du nanohertz pour les ondes gravitationnellesest une collaboration internationale de près de 200 chercheurs en astrophysique dont la mission consiste à utiliser la synchronisation des pulsars radio pour rechercher des ondes gravitationnelles à basse fréquence.

Xavier Siemens, à gauche, et Jeffrey Hazboun de l’OSU College of Science.

Détecter un « chœur » d’ondes gravitationnelles à basse fréquence, comme l’a fait NANOGrav, est une clé pour percer les mystères de la formation des structures dans le cosmos, a déclaré l’astrophysicien de l’OSU Jeff Hazboun.

« Nous avons ouvert cette nouvelle zone de spectre pour les ondes gravitationnelles », a déclaré Hazboun. « Nous avons vu des ondes à basse fréquence, provenant d’une partie complètement différente du spectre, ce qui nous indique qu’il s’agit d’un phénomène physique omniprésent et que nous pouvons les rechercher n’importe où. »

Les ondes gravitationnelles ont été observées pour la première fois en 2015 par le Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory, ou LIGO.

La découverte de ces ondes, avec des fréquences d’environ 100 cycles par seconde, a été un événement marquant en physique et en astronomie. Il a confirmé l’une des principales prédictions de la théorie de la relativité d’Einstein et a valu un prix Nobel de physique aux fondateurs de LIGO.

Les pulsars sont les restes en rotation rapide d’étoiles massives qui ont explosé en supernovas. Ils envoient des impulsions d’ondes radio avec une extrême régularité, et un groupe d’entre eux est connu sous le nom de réseau de synchronisation de pulsars, ou PTA.

Siemens a déclaré que soixante-huit pulsars ont été utilisés pour recueillir des preuves que la galaxie de la Voie lactée est inondée dans une mer d’ondes gravitationnelles à basse fréquence.

La théorie de la relativité générale d’Einstein de 1915 a prédit comment les ondes gravitationnelles devraient affecter les signaux des pulsars : en étirant et en comprimant le tissu de l’espace-temps, les ondes gravitationnelles devraient modifier la synchronisation de chaque impulsion de manière prévisible, retardant certaines impulsions tout en accélérant d’autres.

« Le grand nombre de pulsars utilisés dans l’analyse NANOGrav nous a permis de voir ce que nous pensons être les premiers signes du schéma de corrélation prédit par la relativité générale », a déclaré Siemens. « Nous pouvons utiliser ces pulsars comme des horloges réparties dans le ciel, et nous pouvons voir comment le tic-tac des horloges change à partir des ondes gravitationnelles traversant notre galaxie. »

NANOGrav a commencé en 2007 et a été lancé huit ans plus tard en tant que Physics Frontier Center avec une subvention de 14,5 millions de dollars de la National Science Foundation lorsque Siemens était à l’Université du Wisconsin-Milwaukee.

Siemens a rejoint l’OSU en 2019 et deux ans plus tard, la NSF a accordé à NANOGrav 17 millions de dollars supplémentaires sur cinq ans pour rechercher des signaux d’ondes gravitationnelles avec le télescope Green Bank en Virginie-Occidentale, le Very Large Array au Nouveau-Mexique et l’observatoire d’Arecibo à Porto Rico.

Siemens a déclaré que l’OSU reçoit environ 600 000 $ par an en financement NANOGrav, l’analyse des données étant le rôle principal de l’État de l’Oregon en plus de la direction et de l’administration du projet.

Co-dirigé par Maura McLaughlin, astronome à l’Université de Virginie-Occidentale, NANOGrav combine les efforts de chercheurs de 18 universités, dont environ 20 étudiants diplômés et de premier cycle de l’État de l’Oregon.

« Rechercher des ondes gravitationnelles, c’est comme assembler un puzzle : chacun a sa propre pièce, mais elles s’emboîtent toutes », a déclaré Phia Morton de Bend, une majeure en physique appliquée et en génie nucléaire. « C’est une idée fausse courante que les percées scientifiques viennent d’un génie solitaire. Au contraire, les projets scientifiques à grande échelle nécessitent d’énormes quantités de collaboration et pour que toutes les personnes impliquées croient aux objectifs du groupe.

Morton et d’autres étudiants de premier cycle de l’OSU contribuent en recherchant de nouveaux pulsars à ajouter au réseau de NANOGrav ; plus elle dispose de pulsars, plus la détection des ondes gravitationnelles peut être sensible, explique-t-elle.

« Les pulsars sont en fait des sources radio très faibles, nous avons donc besoin de milliers d’heures par an sur les plus grands télescopes du monde pour mener à bien cette expérience », a déclaré McLaughlin. « Ces résultats sont rendus possibles grâce à l’engagement continu de la National Science Foundation envers ces observatoires radio exceptionnellement sensibles. »

Des chercheurs de LIGO, également une collaboration internationale financée par la NSF, ont détecté en 2015 des ondes gravitationnelles produites par la collision de deux trous noirs à l’aide des interféromètres jumeaux LIGO à Livingston, en Louisiane, et à Hanford, dans l’État de Washington.

Les ondes gravitationnelles qui peuvent être observées par LIGO, créées par ces types de « binaires de trous noirs », ont des fréquences d’environ 100 hertz, a déclaré Hazboun.

« NANOgrav recherche des ondes gravitationnelles avec des fréquences inférieures de 11 ordres de grandeur à celles détectées par LIGO », a-t-il déclaré.

Siemens explique que l’utilisation d’un PTA pour détecter un chœur de signaux d’ondes gravitationnelles provenant de plusieurs fusions de trous noirs super massifs – décrit comme un arrière-plan stochastique d’ondes gravitationnelles – est plus prometteuse pour comprendre l’univers que de détecter une seule onde à partir d’un seul binaire de trou noir collision.

« Chaque signal est comme une note, et nous ne cherchons pas seulement une de ces notes – nous voulons entendre tout le chœur », a-t-il déclaré. « Nous voulons entendre le chœur collectif de tous les binaires de trous noirs super massifs qui fusionnent dans l’univers. »

Les trous noirs supermassifs sont le plus grand type de trous noirs, des millions à des milliards de fois la masse du soleil, et ils résident au centre des galaxies.

Les chercheurs de NANOGrav affirment que les futures études sur les signaux émis par les trous noirs supermassifs permettront aux scientifiques de voir l’univers des ondes gravitationnelles à travers une nouvelle fenêtre, offrant un aperçu des trous noirs titanesques fusionnant au centre de galaxies lointaines et potentiellement dans d’autres sources exotiques de faible -ondes gravitationnelles de fréquence.

« Ce n’est que le début de notre travail », a déclaré Siemens.

Source: Université d’État de l’Oregon