En traversant le Système solaire, des ondes gravitationnelles modifieraient les trajectoires des ondes radio connectées aux futures sondes spatiales à destination de Neptune et Uranus. On pourrait détecter avec ces sondes les ondes gravitationnelles issues d'événements appelés EMRI. Elles seraient une mine d'informations pour la cosmologie et la théorie des trous noirs relevant peut-être d'une nouvelle physique.

Il y a cinq ans, nous sommes entrés dans l'ère de l'astronomie gravitationnelle et peu de temps après, l'astronomie multimessager a fait un nouveau bond avec l'observation des ondes gravitationnellesondes gravitationnelles et électromagnétiques d'une kilonova. Les perspectives de détections des ondes gravitationnelles ne cessent de s'ouvrir et pas uniquement avec des interféromètresinterféromètres utilisant des rayons laserlaser comme VirgoVirgo et LigoLigo. On peut citer à cet égard la collaboration NANOGrav (North American Nanohertz Observatory for Gravitationnal Waves).

Si ces détecteurs ont déjà mis en évidence des collisions de trous noirstrous noirs dans des systèmes binairessystèmes binaires, ce ne sont que des trous noirs stellairestrous noirs stellaires. On attend beaucoup d'un autre interféromètre qui, lui, devrait se trouver dans l'espace à l'horizon des années 2030 : eLisa.

Avec lui on devrait pouvoir détecter des collisions de trous noirs supermassifstrous noirs supermassifs et aussi ce que les astrophysiciensastrophysiciens relativistes ont baptisé des événements de la classe des « extreme mass ratio inspirals » (EMRI). En effet eLisa est sensible à des ondes gravitationnelles de basses fréquencesfréquences que ne peuvent détecter des instruments terrestres comme Ligo et Virgo. De quoi s'agit-il ?

Les ondes gravitationnelles et les « extreme mass ratio inspirals »

Rien de très mystérieux, il s'agirait d'une étoile à neutronsétoile à neutrons ou d'un trou noir stellaire (voir intermédiaire de faible masse) qui se trouverait en orbiteorbite autour d'un trou noir supermassif. Bien qu'à beaucoup plus grande distance de ce trou noir qu'il ne le serait avec un autre objet compact d'origine stellaire, donc contenant moins de 100 masses solaires, la présence d'un trou noir supermassif dépassant le million de masses solaires en ferait tout de même une puissante source d'ondes gravitationnelles à cause du rapport de massemasse extrême entre les deux objets.

Elle le serait alors qu'en vertu d'une des lois de Keplerlois de Kepler la période orbitalepériode orbitale de l'astreastre compact le moins massif est encore longue, et qu'il lui faudrait boucler encore 10.000 orbites environ en spirale en perdant de l'énergieénergie sous forme d'ondes gravitationnelles avant d'entrer en collision avec le trou noir supermassif.


Une simulation crédible de la trajectoire d'un trou noir intermédiaire contenant 270 masses solaires autour d'un trou noir supermassif contenant trois millions de masses solaires. Le signal des ondes gravitationnelles monte en fréquence alors que les deux objets se rapprochent comme sa transcription dans le domaine sonore l'illustre bien. © Steve Drasco

Les astrophysiciens relativistes ont montré que le petit corps compact se comporterait alors comme une sonde ayant tout le temps de cartographier avec précision la structure du champ de gravitationgravitation autour du géant, qui serait un trou noir de Kerrtrou noir de Kerr en rotation. Il deviendrait alors possible de tester fortement la théorie des trous noirs et donc indirectement la théorie de la relativité généralerelativité générale d'EinsteinEinstein. Plusieurs variantes d'une théorie relativiste de la gravitation avec un espace-tempsespace-temps courbe gouverné par d'autres équationséquations que celles d'Einstein, par exemple en relation avec la théorie des supercordes, ont en effet été découvertes. Mieux, nous pourrions peut-être découvrir que les trous noirs supermassifs sont en fait des trous de ver.

En bonus, l'émissionémission d'ondes avec un EMRI permet de remonter précisément à la masse et au moment cinétiquemoment cinétique d'un trou noir supermassif. En dressant des statistiques avec de nombreuses sources, on peut alors poser des contraintes sur l'origine et le mode de croissance des trous noirs supermassifs. Or, c'est une importante fenêtrefenêtre sur l'histoire des galaxiesgalaxies.

La cosmologiecosmologie est elle aussi impactée par des découvertes d'EMRI car on peut tirer du signal gravitationnel une estimation directe de la distance du trou noir supermassif impliqué dans une galaxie, dont on peut mesurer le décalage spectral. Plutôt que de s'appuyer sur une échelle de méthodes pour mesurer les distances cosmologiques, méthodes introduisant chacune une erreur, des mesures directes fourniraient des estimations de la constante de Hubbleconstante de Hubble plus précises et donc susceptibles de révolutionner notre détermination de la nature de l'énergie noireénergie noire accélérant l'expansion du cosmos observable.

Une image de synthèse représentant un modèle de la courbure de l'espace d'un petit objet compact en orbite rapproché autour d'un trou noir supermassif, déformant lui aussi l'espace-temps. © Nasa
Une image de synthèse représentant un modèle de la courbure de l'espace d'un petit objet compact en orbite rapproché autour d'un trou noir supermassif, déformant lui aussi l'espace-temps. © Nasa

Un effet Doppler pour détecter les ondes gravitationnelles

Aujourd'hui, une équipe internationale d'astrophysiciens menée par Deniz Soyuer de l'université de Zurich, en Suisse, vient de publier un intéressant article disponible en accès libre sur arXiv renouvelant une idée déjà mise en pratique depuis presque 50 ans, et plus précisément depuis le lancement de la célèbre mission Pioneer 11 qui survola JupiterJupiter puis SaturneSaturne.

On peut montrer que le passage d'une onde gravitationnelle dans le Système solaireSystème solaire va modifier la propagation des ondes radioradio entre la Terre et une sonde telle Pioneer 11 ou New Horizons, comme elle le fait pour les faisceaux laser de Ligo et Virgo. Un décalage Doppler en résulte mais il est très faible et facilement dégradé et bruité. De fait, aucune des missions longue distance telle Cassini n'a mis en évidence cet effet à ce jour.

Mais, selon Soyuer, les progrès technologiques changent la donne et les prochaines missions de la NasaNasa envisagées en direction d'UranusUranus et surtout de NeptuneNeptune, comme la mission Trident, pourraient détecter les ondes gravitationnelles associées aux EMRI à l'horizon des années 2030 et donc servir de complément à eLisa.