Les ondes gravitationnelles des trous noirs supermassifs peut-être découvertes grâce aux pulsars ?

On a du mal à le croire, mais la première détection directe sur Terre des ondes gravitationnellesondes gravitationnelles prédites par la théorie d'EinsteinEinstein a eu lieu il y a six ans déjà sous la forme du signal baptisé GW150914, le 14 septembre 2015. Son analyse a montré qu'il provenait des derniers évènements survenant quand deux trous noirs de massemasse stellaire formant un couple binaire se rapprochent en suivant une spirale puis fusionnent en un seul astreastre compact. Une partie de la masse totale des deux objets, qui contenaient chacun environ 30 fois la masse du SoleilSoleil, avait alors été convertie en ondes gravitationnelles. Pour se donner une idée de l'énergieénergie qu'un tel évènement représente, on peut imaginer que si ces ondes gravitationnelles avaient été des ondes électromagnétiquesondes électromagnétiques, alors la source de la collision observée en septembre 2015 aurait paru dans notre ciel plus lumineuse que la Pleine LunePleine Lune. Pourtant, l'évènement s'était produit à environ 1,3 milliard d'années-lumièreannées-lumière de la Voie lactéeVoie lactée...

Nous avons bien progressé depuis dans le domaine de l'astronomie gravitationnelle grâce aux membres de la collaboration LigoLigo aux États-Unis et aux membres de la collaboration Virgo en Europe. Les chercheurs japonais sont aussi entrés dans la danse avec leur propre détecteur d'ondes gravitationnelles, appelé Kagra.

Les ondes gravitationnelles du Big Bang sont à basses fréquences

Mais tous ces instruments n'observent que dans une bande spectrale bien précise de la fenêtrefenêtre des ondes gravitationnelles, celle des fréquencesfréquences que l'on peut considérer comme hautes et qui proviennent des derniers instants de deux astres compacts d'origine stellaire orbitant l'un autour de l'autre à une vitesse folle. Si l'on considère des astres compacts comme des trous noirs supermassifstrous noirs supermassifs, en couple ou avec un autre astre nettement moins massif comme une étoile à neutronsétoile à neutrons, les orbitesorbites initiales sont nettement plus grandes que celles de deux trous noirs stellaires binairesbinaires et les fréquences des ondes émises, reflet des périodes orbitalespériodes orbitales qui diminuent du fait de la perte d'énergie sous forme d'ondes gravitationnelles, sont nettement plus basses au début aussi.

On est donc en présence d'une autre bande spectrale avec des longueurs d'ondelongueurs d'onde si importantes qu'il faut un détecteur en orbite s'étendant sur plus d'un million de kilomètres pour détecter cette bande spectrale. C'est l'objectif de la mission eLisa, comme l'explique la vidéo ci-dessus, qui devrait être opérationnelle à l'horizon des années 2030.

Toutefois, depuis des décennies, les astrophysiciensastrophysiciens relativistes savent qu'il est possible, théoriquement du moins, de commencer à explorer les fréquences basses associées aux ondes gravitationnelles des trous noirs supermassifs, et peut-être même de celles associées à des événements remontant au Big BangBig Bang, en utilisant des pulsars.

L'astronomie gravitationnelle et la radioastronomie

En fait, les pulsarspulsars ont déjà joué un rôle important dans le développement de l'astronomie gravitationnelle. En effet, des calculs menés notamment par le physicienphysicien français Thibault Damour (à qui on doit une BD sur le Mystère du monde quantique) et ses collègues, dans les années 1980, avaient permis de rendre compte de la diminution annuelleannuelle de la période de l'orbite d'un pulsar binaire (PSR B1913+16) révélée et mesurée par les prix Nobel de physiquephysique Hulse et Taylor. Là aussi les deux astres perdaient de l'énergie en émettant des ondes gravitationnelles, ce qui faisait diminuer lentement mais de plus en plus rapidement la taille et donc la période de leur orbite. Il ne s'agissait que d'une signature indirecte, mais convaincante, de l'existence de ces ondes (voir les réflexions d'Aurélien Barrau sur son blogblog de Futura).

On voyait clairement la période orbitale diminuer car les pulsars sont des phares cosmiques émettant un faisceau d'ondes radioradio colimatées tel un phare sur Terre. Il peut donc couper la Terre et se retrouver sous la forme d'un bip périodique dans des radiotélescopesradiotélescopes, bip donnant justement la fréquence de l'orbite du pulsar qui se comporte comme une horloge normalement très stable.

De fait, les radiotélescopes d'AreciboArecibo et de Nançay ont servi à faire progresser l'étude des ondes gravitationnelles avec des pulsars.

Aujourd'hui, les membres de l'European Pulsar Timing Array (EPTA), une collaboration européenne réunissant une quarantaine de scientifiques autour des cinq plus grands radiotélescopes européens dont le radiotélescope décimétrique de Nançay et le radiotélescope de l'Institut Max-Planck de radioastronomie (Max-Planck-Institut für Radioastronomie) près de Effelsberg, viennent de mettre en ligne plusieurs communiqués faisant état d'un article publié dans Monthly Notices of the Royal Astronomical Society. Avec un diamètre de 100 mètres, le radiotélescope de Effelsberg a longtemps été le plus grand télescopetélescope orientable du monde, jusqu'à l'ouverture du radiotélescope de Green Bank en Virginie-Occidentale aux États-Unis. On l'a utilisé pour tester la théorie des cordes, mais aussi pour faire équipe avec RadioAstron en produisant avec la technique de synthèse d'ouverturesynthèse d'ouverture par interférométrieinterférométrie un instrument virtuel d'environ 350.000 kilomètres de diamètre. Dans le cas présent, la même technique a été utilisée avec les radiotélescopes européens.

Les cinq principaux radiotélescopes européens. En haut de gauche à droite : radiotélescope d’Effelsberg (Allemagne) et radiotélescope de Nancay (France), et en bas, de gauche à droite : radiotélescope de Sardaigne (Italie), radiotélescope de synthèse de Westerbork (Pays-Bas) et télescope Lovell, Royaume-Uni. © Norbert Tacken/MPIfR (Effelsberg), Letourneur/Observatoire de Paris – PSL (Nançay), Anthony Holloway (Jodrell Bank), ASTRON (WSRT), Gianni Alvito/INAF (SRT)

Ce que les membres de l'EPTA ont trouvé se comprend bien avec les explications données sur le site de l'Observatoire de Paris par Siyuan Chen, chercheur au Laboratoire de physique et chimiechimie de l'environnement et de l'Espace (Cnes/CNRS/Université d'Orléans) et à la Station de radioastronomie de NançayStation de radioastronomie de Nançay (Observatoire de Paris-PSL/CNRS/Université d'Orléans), coauteur principal de l'étude publiée dans MNRAS : « Nous pouvons mesurer de très petites fluctuations dans les temps d'arrivée sur Terre du signal radio des pulsars, causées par la déformation de l'espace-tempsespace-temps due au passage d'une onde gravitationnelle de très basse fréquence ».

Ce que les chercheurs ont donc mis en pratique c'est la même stratégie que les membres de la collaboration NANOGrav (North American Nanohertz Observatory for Gravitationnal Waves) il y a quelque temps déjà et qui permet donc en principe de détecter les ondes gravitationnelles des trous noirs supermassifs et plus généralement du fond stochastiquestochastique d'ondes gravitationnelles du cosmos observable. Futura l'expliquait déjà dans les précédents articles ci-dessous auxquelles nous vous renvoyons pour plus de détails et aussi à l'excellente vidéo de PBS Space Time, ci-dessous.

Un signal prometteur à confirmer

La détection d'un signal exploitable n'a rien d'évident car il se comporte un peu comme un bruit d'intensité extrêmement faible et ne peut être significatif avec une seule source. Mais en combinant les mesures de dizaines de pulsars, les perspectives sont bien meilleures car on ne peut attendre de chacun de ces astres qu'ils produisent un bruit de forme similaire au même moment sur Terre en particulier. Il existe ainsi en théorie une corrélation spatiale du signal provenant des divers pulsars se traduisant par ce que l'on appelle la courbe de Hellings et Downs, du nom des deux chercheurs américains qui ont les premiers formulé cette propriété en 1983, et qui permet d'affirmer que l'on est bien en présence des perturbations causées par le passage d'une onde gravitationnelle de très grande longueur d'onde dans le Système solaireSystème solaire et la Voie lactée.

En pratique, les astrophysiciens cherchent à détecter un signal dans une bande de fréquence de l'ordre du milliardième de HertzHertz, alors que Ligo et Virgo cherchent des signaux dont les fréquences sont de l'ordre de quelques centaines de Hertz. Remarquablement, le signal potentiel capté par les chercheurs européens ressemble à celui des chercheurs états-uniens.

Mais, là aussi, il est encore trop tôt pour parler d'une découverte, même si la combinaison des deux recherches est encourageante.

Les ondes gravitationnelles des trous noirs supermassifs peut-être découvertes grâce à Arecibo

Article de Laurent SaccoLaurent Sacco publié le 14/01/2021

Il existe probablement un fond cosmologique chaotique d'ondes gravitationnelles provenant de diverses sources, en particulier les trous noirs supermassifs binaires. Une astuce ingénieuse pour les détecter, en ayant observé avec le radiotélescope d'Arecibo des dizaines de pulsars dans la Voie lactée pendant plus d'une décennie, commence peut-être à payer.

Une vue du radiotélescope d'Arecibo avant sa destruction. © University of Central Florida.

On se souvient de la consternation ressentie en novembre 2020 lors de la destruction de l'Observatoire d'Arecibo. Ce géant de la radioastronomie était entré en service en 1963, pendant la décennie où le programme Seti a pris son essor. Il va y contribuer significativement mais c'est surtout la découverte des pulsars en 1967 qui va lui permettre de marquer l'histoire de l'Humanité. Ces astres sont les étoiles à neutrons théorisées au cours des années 1930, ce qui veut dire qu'elles sont des résidus d'étoiles mortes qui ont explosé sous forme de supernovae de type SNSN II. Il s'agit donc d'astres compacts de quelques dizaines de kilomètres de diamètre, contenant de l'ordre de quelques masses solaires tout au plus.

Les étoiles à neutrons possédant un fort champ magnétique et étant en rotation rapide, on peut montrer qu'elles vont générer des ondes radio focalisées et se comporter comme une sorte de phare. Lorsque le faisceau d'ondes d'une de ces balises cosmiques intercepte le Système solaire, un radiotélescope va donc enregistrer à répétition un flashflash périodique pulsant, à tel point que l'on peut utiliser les pulsars comme des horloges cosmiques très stables, avec une fréquence propre caractéristique. On pourrait donc s'en servir pour se repérer lors de voyages interplanétaires et même interstellaires.

Si les premiers pulsars n'ont pas été découverts à Arecibo, ce sont ceux observés avec ce radiotélescope qui vont permettre la découverte indirecte des ondes gravitationnelles et l'étude des informations contenues dans ces ondes pour tester la relativité généralerelativité générale et ses alternatives afin de décrire une théorie relativiste de la gravitationgravitation telle celle dite « théorie de tenseur-scalaire ». Comme Futura l'expliquait dans le précédent article ci-dessous, des astrophysiciens regroupés au sein de la collaboration NANOGrav (North American Nanohertz Observatory for Gravitationnal Waves) ont décidé de mettre à profit la population de pulsars détectés dans la Voie lactée pour pousser un cran plus loin le développement de l'astronomie des ondes gravitationnelles.

Un fond stochastique d'ondes gravitationnelles

Depuis environ 16 ans, ces chercheurs ont pris au sérieux la possibilité de détecter, avant la mission spatiale eLisa de l'ESAESA, qui ne devrait être opérationnelle qu'à l'horizon des années 2030, les ondes gravitationnelles à très basse fréquence (∼1-100 nHz) produites par des populations de paires de trous noirs supermassifs. Ces paires doivent se former à l'occasion de fusionsfusions de grandes galaxiesgalaxies conduisant, par la force de frictionfriction gravitationnelle du gazgaz d'étoiles dans ces galaxies sur leurs trous noirs supermassifs, à ce qu'ils tombent l'un vers l'autre au cœur des galaxies nouvellement formées par la fusion.

Comme ces astres peuvent contenir des masses de quelques millions à quelques milliards de masses solaires en moyenne, ils produisent en couple un important rayonnement d'ondes gravitationnelles. Mais, comme ils sont considérablement plus distants les uns des autres que dans le cas des paires de trous noirs stellaires détectées par Ligo et Virgo, les périodes orbitales sont nettement plus longues selon les lois de Keplerlois de Kepler de sorte que le début du signal produit se fait effectivement dans une bande de très basses fréquences, qui ne sont vraiment détectables qu'avec eLisa.

Plus généralement, un réseau de pulsars millisecondes devrait permettre de détecter à ces basses fréquences non seulement le fond stochastique d'ondes gravitationnelles résultant de la superposition des émissionsémissions de nombreuses paires de trous noirs supermassifs dans l'UniversUnivers observable mais peut-être aussi à ces fréquences les émissions de cordes cosmiques, ou celles résultant de processus cosmologiques très primitifs, comme des transitions de phases dans certains scénarios inflationnaires.

Une vue d'artiste de la Terre noyée dans l'espace-temps qui est déformé par les ondes gravitationnelles du fond stochastique et ses effets sur les signaux radio provenant des pulsars observés. © Tonia Klein, NANOGrav

Le Système solaire compressé et étiré par les ondes gravitationnelles

Les idées derrière cette détection ne sont pas difficiles à comprendre. Lorsqu'une puissante onde gravitationnelle passe dans le Système solaire, elle doit compresser et étirer alternativement l'espace, de sorte que des ondes radio voyageant à la vitesse de la lumièrevitesse de la lumière et issues de pulsars vont mettre moins ou plus de temps respectivement pour atteindre un radiotélescope sur Terre. Si l'on mesure les signaux de plusieurs dizaines de pulsars millisecondes, on devrait avoir une distorsion bien précise des temps d'arrivée des impulsions radio de ces astres. Si l'on s'y prend bien, on doit donc pouvoir mettre en évidence le passage des ondes gravitationnelles à très basses fréquences du fond stochastique d'ondes gravitationnelles.

Les membres de NANOGrav viennent donc de faire savoir, via un article que l'on peut trouver en accès libre sur arXiv, qu'en analysant presque 13 années de données collectées avec le radiotélescope d'Arecibo mais aussi celui de Green Bank, et concernant 45 pulsars, ils commencent à voir un signal qui ressemble bel et bien à celui attendu en ce qui concerne les ondes gravitationnelles des trous noirs supermassifs. Si tel est bien le cas, c'est vraiment un exploit car les écarts que l'on cherche à mesurer sur des temps d'arrivée sont de l'ordre de quelques centaines de nanosecondes et se produisent sur des échelles de temps de plusieurs années. Il faut aussi, évidemment, tenir compte de bien des perturbations, tant dans le Système solaire qu'au niveau des pulsars pour écarter raisonnablement des effets imitant le passage des ondes gravitationnelles.

Plusieurs déclarations des membres montrent à la fois leur enthousiasme mais aussi leur prudence quant aux résultats obtenus.

« Ces premiers indices alléchants d'un fond stochastique gravitationnel suggèrent que les trous noirs supermassifs fusionnent probablement et que nous flottons dans une mer d'ondes gravitationnelles ondulant à partir de fusions de trous noirs supermassifs dans les galaxies à travers l'Univers », déclare ainsi Julie Comerford, de l'Université du Colorado à Boulder.

« Nous avons trouvé un signal fort dans notre ensemble de données, mais nous ne pouvons pas encore dire que ce soit le fond des ondes gravitationnelles », précise son collègue Joseph Simon, également à Boulder.

Quant à Scott Ransom, de l'Observatoire national de radioastronomie des États-Unis, il ajoute que : « Essayer de détecter les ondes gravitationnelles avec un ensemble de pulsars demande de la patience. Nous analysons actuellement plus d'une douzaine d'années de données, mais une détection définitive en prendra probablement quelques autres. C'est formidable que ces nouveaux résultats correspondent exactement à ce à quoi nous nous attendrions à mesure que nous nous rapprochions d'une détection ».

Des ondes gravitationnelles bientôt détectables grâce aux pulsars ?

Article de Laurent Sacco publié le 20/11/2017

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.

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 constructionconstruction sur Terre utilisant le même schéma de fonctionnement, ne peuvent nous donner accès qu'à une certaine bande de fréquencesbande de fréquences, comme d'ailleurs tous les instruments basés sur les ondes électromagnétiques en astronomie (HubbleHubble ne peut pas voir dans le domaine des rayons Xrayons X par exemple et ChandraChandra 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 binairessystèmes 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 mouvementsmouvements 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 duréedurée 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 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 anomalieanomalie 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 MicronMicron 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.