Une image extraite d'une simulation numérique montrant deux trous noirs sur le point de fusionner. © SXS

Sciences

Ondes gravitationnelles : Gaia pourrait les détecter avant eLisa

ActualitéClassé sous :ondes gravitationnelles , Gaïa , trou noir supermassif

On attend beaucoup de l'astronomie des ondes gravitationnelles pour tester nos théories physiques et astrophysiques sur les trous noirs supermassifs. La mission eLisa est faite pour ça mais elle ne sera opérationnelle que dans les années 2030. Quelques résultats intéressants pourraient peut-être déjà être obtenus dans les années 2020 en utilisant le satellite Gaia.

Les détecteurs d'ondes gravitationnelles Ligo et Virgo peuvent déjà se targuer de succès impressionnants, notamment avec la détection d'une kilonova validant l'un des modèles expliquant la nature des sursauts gamma. Mais ces détecteurs ont des limites comme tous les télescopes avec les ondes électromagnétiques. Ils ne permettent d'observer que dans une certaine bande de fréquences et ne sont sensibles qu'à des intensités suffisamment élevées, et donc qu'à des sources suffisamment proches.

Pour observer dans une autre gamme de fréquences, plus basses, il faut un autre instrument et celui-ci est en cours de réalisation dans le cadre du projet  eLisa. Mais il faudra pour cela attendre l'horizon 2030, le détecteur devant être envoyé dans l'espace sous la forme de trois satellites séparés par des distances de l'ordre du million de kilomètres. Le jeu en vaut la chandelle car il ne s'agit rien de moins que de détecter les ondes gravitationnelles de trous noirs supermassifs, dont certains contiennent des milliards de masses solaires sur le point de fusionner au cœur des galaxies ou d'absorber des trous noirs stellaires, voire des étoiles à neutrons. Ces ondes pourraient être très bavardes sur la physique des trous noirs et peut-être conduire à des révolutions en astrophysique.

La mission Gaia de l'ESA a mesuré les positions et les vitesses d'un milliard d'étoiles dans la Voie lactée. Cela va permettre de reconstituer l'histoire de notre Galaxie, de mieux connaître sa structure mais aussi de partir à la chasse à la matière noire et aux exoplanètes. © euronews

Des ondes gravitationnelles qui dévient les rayons lumineux des étoiles

L'astronome Christopher Moore, de l'université de Cambridge, pense avec ses collègues que probablement dans moins d'une décennie, on commencera à détecter ces ondes gravitationnelles. Les chercheurs ont déposé, voilà quelque temps, sur arXiv un article dans lequel il expose une idée brillante en analysant sa faisabilité. Il suffirait d'utiliser les données astrométriques concernant un grand nombre d'étoiles de la Voie lactée sur la voûte céleste, plus précisément les mesures livrées en cours de dépouillement du satellite Gaia de l'ESA.

Quel est le principe de la méthode proposée ? Tout simplement tenir compte du fait que le passage d'une onde gravitationnelle va altérer les trajectoires des rayons lumineux en provenance des étoiles observées par Gaia, de la même façon que le champ de gravité du Soleil déplace la position des étoiles sur la voûte céleste lors d'une éclipse pour un observateur sur Terre. Des changements infimes de la position des étoiles vont donc se produire et si l'onde est assez puissante, ils seront détectables dans les mesures de Gaia. L'idée est en fait plus ancienne et elle avait déjà été étudiée, au cours des années 1990, dans le cadre des observations des quasars effectuées avec des radiotélescopes. On peut même imaginer, en principe, avoir accès de cette façon à certaines des ondes gravitationnelles produites par le Big Bang.

Gaia doit surveiller et mesurer la position d'environ un milliard d'étoiles en scannant environ 80 fois la voûte céleste sur une durée d'observation de 5 à 10 ans. Extraire un signal d'évènements se produisant pendant cette période, avec toutes ces étoiles, serait trop prohibitif en puissance de calcul mais selon les chercheurs, il suffirait de se concentrer sur environ 100.000 étoiles pour aboutir à des résultats intéressants. Mais on n'aurait accès qu'à des fréquences très basses, entre quelques microhertz et quelques nanohertz.

Christopher Moore est optimiste mais prudent car il n'est pas assuré que Gaia soit assez sensible pour faire des détections. Selon les estimations qui ont été faites, il devrait tout de même être possible de détecter des trous noirs supermassifs binaires au moment où ils orbitent encore en une année environ, l'un autour de l'autre, dans des galaxies relativement proches et qui contiendraient entre 10 et 100 millions de masses solaires.

  • La gravité modifie les trajectoires des rayons lumineux comme l'a démontré l'observation d'une éclipse en 1919 avec des images d'étoiles déplacées sur la voûte céleste au voisinage du Soleil.
  • Le passage d'une onde gravitationnelle dans le Système solaire devrait lui aussi modifier les images des étoiles de la Voie lactée observées par le satellite Gaia dédié à l'astrométrie de très haute précision.
  • Il est possible que Gaia soit suffisamment sensible pour détecter, au cours des années 2020, les ondes gravitationnelles produites par la fusion des trous noirs supermassifs avant le détecteur eLisa qui ne devrait entrer en service que dans les années 2030.
Cela vous intéressera aussi

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.