Illustration d'onde gravitationnelle secouant l'espace-temps. © akkmesterke, Adobe Stock
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Ondes gravitationnelles : une nouvelle technique pour les détecter avec des rayons gamma

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[EN VIDÉO] 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. 

Ligo et Virgo ne détectent que des ondes gravitationnelles à haute fréquence. Mais il se peut que l'on n'ait pas besoin d'attendre les années 2030 pour détecter celles à basse fréquence avec le détecteur spatial eLisa. L'étude des impulsions radio et gamma des trous noirs pourrait nous révéler des collisions de trous noirs supermassifs associées.

Le premier pulsar a été découvert en 1967 lorsque Jocelyn Bell a détecté un signal pulsé céleste à une fréquence radio de 81,5 MHz au Mullard Radio Astronomy Observatory près de Cambridge, au Royaume-Uni. Rapidement, dans l'année qui suivit, les astrophysiciens Thomas Gold et Franco Pacini comprennent et le font savoir qu'il s'agit des étoiles à neutrons théorisées dès les années 1930. Ces cadavres stellaires laissés par l'explosion d'une supernova sont en effet des étoiles à neutrons, des astres pouvant rassembler dans une sphère de quelques dizaines de kilomètres de diamètre la masse du Soleil.

L'effondrement gravitationnel d'une étoile massive qui conduit à la naissance d'une étoile à neutrons la produit dans un état de rotation à une vitesse angulaire élevée, hérité de l'étoile initiale avec une période pouvant être de l'ordre de quelques dizaines de millisecondes (le gros de la population des pulsars a une période de rotation centrée sur une seconde). Pour un objet aussi dense, les lois de la mécanique impliquent qu'il doit posséder un moment cinétique colossal qui ne peut être changé que très difficilement par un couple extérieur de forces. Or, il se trouve que l'étoile à neutrons hérite aussi du champ magnétique de son étoile génitrice qui lui aussi est amplifié, de sorte que par un effet relativiste ce champ magnétique se comporte aussi comme un champ électrique à la surface de l'étoile à neutrons, pouvant accélérer des charges. On peut montrer qu'au final, des processus d'électrodynamique conduisent à l'existence de l'émission d'un faisceau d'ondes électromagnétiques collimatées.

Une courte présentation des pulsars. 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 ». © Nasa Goddard

Des pulsars aux collisions de trous noirs supermassifs

Un pulsar se comporte donc comme une sorte de phare qui se manifeste sous la forme d'une série d'impulsions radio très stables dans un radiotélescope si le faisceau passe par la Terre. Pendant un temps, certains pulsars étaient même des horloges naturelles plus stables que les premières horloges atomiques, si bien que l'on pouvait penser s'en servir comme des sortes de balises bien caractérisées par leur périodicité. Ces balises permettent donc a priori de faire de la navigation interstellaire ou interplanétaire précise. Mieux, dès les années 1970, on savait que l'on pouvait s'en servir pour se localiser dans la Voie lactée, et c'est pourquoi la position de la Terre a été indiquée par rapport à certains pulsars sur la fameuse plaque en or des sondes Pioneer. On a procédé de la même manière pour le célèbre Golden Record des sondes Voyager. On connaît ainsi dans notre Galaxie plusieurs milliers de pulsars distants du Soleil de quelques milliers à quelques dizaines de milliers d'années-lumière tout au plus.

Orbitant à 500 kilomètres au-dessus de la Terre, le Fermi Large Area Telescope collecte les rayons gamma des pulsars millisecondes. Alors que ces photons de haute énergie traversent la Voie lactée, ils rencontrent une mer d'ondes gravitationnelles à basse fréquence produites par des paires de trous noirs supermassifs qui coalescent au centre des galaxies fusionnées. Les ondulations de l'espace-temps, avec des longueurs d'onde s'étendant au-delà de 100.000 milliards de kilomètres, font que chaque photon arrive légèrement plus tôt ou légèrement plus tard que prévu. La surveillance des rayons gamma de plusieurs de ces pulsars millisecondes peut révéler cette signature. © Daniëlle Futselaar, MPIfR (artsource.nl)

Or, depuis les années 1970 également, on avait compris que l'on pouvait utiliser l'extraordinaire stabilité des impulsions des pulsars pour mettre en évidence le passage proche du Système solaire d'ondes gravitationnelles de très basse fréquence et donc de très grandes longueurs d'onde, dépassant largement la taille du Système solaire.

En effet, lors de ce passage, un ensemble de pulsars observables sur Terre vont voir les temps d'arrivée des impulsions varier en raison du passage de ces ondes, de sorte que l'on peut, en théorie, mettre en évidence leur existence et leurs caractéristiques. C'est ce qu'essaient de faire depuis un bon moment déjà les membres de la collaboration NANOGrav (North American Nanohertz Observatory for Gravitationnal Waves), comme Futura l'expliquait déjà dans de précédents articles auxquels nous vous renvoyons pour plus de détails et aussi à l'excellente vidéo de PBS Space Time, ci-dessous.

En fait et si l'on veut être plus explicite, les ondes détectables de cette façon sont les ondes gravitationnelles des trous noirs supermassifs binaires qui peuvent se former à l'occasion de fusion de galaxies et plus généralement du fond stochastique d'ondes gravitationnelles du cosmos observable.

Bien des stratégies existent pour détecter des ondes gravitationnelles de fréquences variées qui sont autant de fenêtres ouvertes sur des phénomènes astrophysiques et cosmologiques différents. 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 ». © PBS Space Time

Des pulsars radio aux pulsars gamma

Tout récemment, une équipe internationale d'astrophysiciens comprenant Aditya Parthasarathy et Michael Kramer de l'Institut Max-Planck de radioastronomie à Bonn, en Allemagne, a fait savoir que l'on pouvait jouer au même jeu non pas seulement avec les ondes radio des pulsars dits millisecondes, mais aussi avec leurs émissions dans le domaine des rayons gamma, également périodiques. La thèse est développée dans un article publié dans Science et dont une version en accès libre est disponible sur arXiv.

Ce ne sont rien de moins que des ondes gravitationnelles avec des longueurs d'onde de plusieurs centaines de milliers de milliards de kilomètres que les chercheurs pensent pouvoir mettre en évidence en compulsant les données déjà collectées depuis un peu plus d'une décennie par le télescope spatial gamma Fermi. En fait, il faudrait cinq années supplémentaires, mais les signaux déjà enregistrés concernant une centaine de pulsars inspirent déjà de l'optimisme aux astrophysiciens.

À terme, les deux méthodes de détection, avec des ondes radio et gamma se compléteront donc en donnant des résultats beaucoup plus robustes. C'est d'autant plus vrai que les photons gamma passent beaucoup plus facilement à travers le plasma du milieu interstellaire et qu'ils peuvent donc fournir un signal plus propre et moins perturbé par la turbulence du plasma et ses propriétés de transmission des ondes électromagnétiques à une fréquence donnée.

Des chercheurs utilisant le télescope spatial à rayons gamma Fermi de la Nasa ont découvert le premier pulsar à rayons gamma dans une galaxie autre que la nôtre. L'objet établit un nouveau record pour le pulsar gamma le plus lumineux connu. Le pulsar se trouve à la périphérie de la nébuleuse de la Tarentule dans le Grand Nuage de Magellan, une petite galaxie en orbite autour de notre Voie lactée et située à 163.000 années-lumière. Les impulsions de rayons gamma de J0540-6919 ont 20 fois l'intensité du précédent détenteur du record, le pulsar de la célèbre nébuleuse du Crabe. Pourtant, ils ont des niveaux à peu près similaires d'émission radio, optique et de rayons X. La prise en compte de ces différences guidera les astronomes vers une meilleure compréhension de la physique extrême à l'œuvre dans les jeunes pulsars. 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 ». © Nasa Goddard

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