Les ondes gravitationnelles seront-elles bientôt détectables grâce aux pulsars ? Ici, deux trous noirs supermassifs sur le point de fusionner dans une simulation numérique réaliste sur ordinateur. © SXS

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Des ondes gravitationnelles bientôt détectables grâce aux pulsars ?

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Une équipe d'astrophysiciens vient de le confirmer : il devrait bientôt être possible d'observer les ondes gravitationnelles émises par les collisions de trous noirs supermassifs. Il serait même possible de le faire avant le lancement dans l'espace du détecteur eLisa grâce aux pulsars.

Interview : comment mesurer les ondes gravitationnelles ?  Les ondes gravitationnelles sont des déformations de l’espace-temps prédites par Einstein. Il serait possible de les mesurer avec des outils appropriés. L’éditeur littéraire Dunod a interviewé Pierre Binétruy, professeur au laboratoire Astroparticule et Cosmologie de l'université Paris Diderot, afin d’en savoir plus sur ces mystérieuses ondes et sur la façon dont on pourrait les détecter. 

La spectaculaire détection conjointe par Ligo et Virgo des ondes gravitationnelles émises par une kilonova a confirmé que nous étions pleinement rentrés dans l'ère de l'astronomie gravitationnelle. Toutefois, ces détecteurs, et ceux en construction sur Terre utilisant le même schéma de fonctionnement, ne peuvent nous donner accès qu'à une certaine bande de fréquences, comme d'ailleurs tous les instruments basés sur les ondes électromagnétiques en astronomie (Hubble ne peut pas voir dans le domaine des rayons X par exemple et Chandra ne peut pas voir dans le visible).

Ainsi, les télescopes gravitationnels terrestres ne peuvent voir, pour l'essentiel, que les ondes générées par les cadavres d'objets stellaires formant des systèmes binaires, à savoir des étoiles à neutrons et des trous noirs stellaires en train de se rapprocher peu avant de fusionner. Mais qu'en est-il des fusions de trous noirs supermassifs ? Si l'on veut les étudier, l'instrument le plus indiqué sera eLisa, que l'ESA devrait lancer dans l'espace dans les années 2030.

Deux trous noirs supermassifs binaires observés aux rayons X (X-ray, en anglais sur les images) par Chandra et associés à des galaxies en interaction vues dans le visible (optical). © Nasa

Mieux comprendre les trous noirs supermassifs binaires

Contenant plusieurs millions à plusieurs milliards de masses solaires, les trous noirs supermassifs sont des astres compacts. Il s'agit de sources d'ondes gravitationnelles très intenses. Ils sont donc facilement détectables, mais, comme les distances entre ces objets sont aussi plus grandes, les mouvements sont plus lents et les fréquences des ondes sont plus basses pendant des millions d'années avant que la fusion ne se produise.

Nous savons qu'il y a des trous noirs supermassifs binaires dans l'univers observable. Ce sont, par exemple, les observations aux rayons X de Chandra et celles dans le domaine radio du VLBA qui nous le disent. Ces trous noirs résultent de la fusion de deux grandes galaxies. Mais nous ne savons pas très bien comment ce phénomène se produit ni à quel rythme dans l'histoire du cosmos. Or, celui-ci doit jouer un rôle important dans l'histoire des galaxies et, ne serait-ce que de ce point de vue, il est important de le connaître plus en profondeur. L'astronomie gravitationnelle devrait nous y aider.

Les pulsars, des horloges sensibles aux ondes gravitationnelles

Faut-il attendre encore une quinzaine d'années, voire plus en cas de retard du projet eLisa, pour commencer à avoir des réponses à ce sujet ? Peut-être que non, si l'on en croit un article publié dans Nature Astronomy et disponible sur arXiv. Celui-ci provient de membres du North American Nanohertz Observatory for Gravitational Waves (NanoGrav), un consortium de radioastronomes et de physiciens des ondes gravitationnelles dont le but est de détecter les ondes gravitationnelles en utilisant un réseau de pulsars millisecondes comme horloges.

Ces balises radio fonctionnant comme des phares cosmiques doivent pour cela être observées avec une très grande précision. Une campagne a déjà été menée dans ce sens pendant une durée de neuf ans avec deux des radiotélescopes les plus sensibles sur Terre, le Green Bank Telescope, en Virginie-Occidentale, et l'observatoire d'Arecibo, à Porto Rico (tous les deux aux États-Unis). Cinquante-quatre pulsars sont actuellement observés avec le même objectif et, selon les chercheurs, on pourrait bien détecter les ondes gravitationnelles produites par au moins un trou noir supermassif binaire au cours de la prochaine décennie.

Une présentation de NanoGrav. Pour obtenir une traduction en français assez fidèle, cliquez sur le rectangle blanc en bas à droite. Les sous-titres en anglais devraient alors apparaître. Cliquez ensuite sur l'écrou à droite du rectangle, puis sur « Sous-titres » et enfin sur « Traduire automatiquement ». Choisissez « Français ». © PhysicistMichael

Une modification de la distance entre le Système solaire et les pulsars

L'idée derrière cette détection, comme expliqué dans la vidéo ci-dessus, est que le passage d'une onde gravitationnelle va modifier la distance entre le Système solaire et les pulsars. Ainsi, les flashs radio particulièrement stables de ces pulsars vont présenter une anomalie dans leurs temps d'arrivée. L'analyse des décalages dans ces temps trahira le passage d'une onde gravitationnelle d'une forme donnée.

Dans le travail qu'ils viennent de publier, les chercheurs de NanoGrav ont voulu préciser les chances d'observer ces anomalies dans les années à venir, et donc les chances d'estimer le nombre de trous noirs supermassifs binaires susceptibles d'émettre des signaux mesurables. Nous devrions commencer à pouvoir le faire quelques millions d'années avant la fusion de ces trous noirs, selon les astrophysiciens. Le phénomène est lent parce que les distances à parcourir sont grandes lors des fusions de galaxies qui prennent des centaines de millions d'années.

Pour arriver au résultat recherché, il a fallu combiner des observations de galaxies menées dans le cadre du 2 Micron All-Sky Survey (2Mass) et des résultats de la simulation Illustris concernant les galaxies et les grandes structures que ces dernières forment. Il semble que, dans un échantillon de 5.000 galaxies proches de la Voie lactée, environ 90 trous noirs supermassifs binaires seraient sur le point d'entrer en collision.

  • Basé sur le même principe de détection des ondes gravitationnelles que Virgo et Ligo, l'observatoire eLisa devrait rejoindre l'espace d'ici 2035 environ. Son but est d'observer en particulier les fusions de trous noirs supermassifs.
  • Mais, selon les chercheurs du consortium North American Nanohertz Observatory for Gravitational Waves, il ne sera probablement pas nécessaire d'attendre aussi longtemps pour que la détection de la première onde gravitationnelle émise par un tel trou noir binaire ait lieu.
  • Il suffira de mesurer des délais anormaux dans les temps d'arrivée de signaux de pulsars (ces balises radio naturelles très stables d'ordinaire) situés à 3.000 années-lumière de la Terre.