En utilisant le plus grand détecteur d’ondes gravitationnelles jamais fabriqué, nous avons confirmé des rapports antérieurs selon lesquels la structure de l’univers vibre constamment. Ce grondement de fond est probablement causé par des collisions entre les énormes trous noirs qui résident au cœur des galaxies.
Les résultats de notre détecteur – un ensemble d’étoiles à neutrons en rotation rapide réparties dans toute la galaxie – montrent que ce « fond d’ondes gravitationnelles » pourrait être plus fort qu’on ne le pensait auparavant. Nous avons également réalisé les cartes les plus détaillées à ce jour des ondes gravitationnelles dans le ciel et découvert un « point chaud » d’activité intrigant dans l’hémisphère sud.
Notre recherche est publié aujourd’hui à trois papiers dans les avis mensuels de la Royal Astronomical Society.
Des ondulations dans l’espace et le temps
Ondes gravitationnelles sont des ondulations dans le tissu de espace et temps. Ils sont créés lorsque des objets incroyablement denses et massifs orbitent ou entrent en collision les uns avec les autres.
Les objets les plus denses et les plus massifs de l’univers sont trous noirsles restes d’étoiles mortes. L’une des seules façons d’étudier les trous noirs consiste à rechercher les ondes gravitationnelles qu’ils émettent lorsqu’ils se rapprochent les uns des autres.
Tout comme la lumière, les ondes gravitationnelles sont émises selon un spectre. Les trous noirs les plus massifs émettent les ondes les plus lentes et les plus puissantes, mais pour les étudier, nous avons besoin d’un détecteur de la taille de notre galaxie.
Les ondes gravitationnelles à haute fréquence créées par les collisions entre des trous noirs relativement petits peuvent être captées par des détecteurs terrestres et ont été observées pour la première fois en 2015. Cependant, preuve car l’existence de vagues plus lentes et plus puissantes n’a été découverte que l’année dernière.
Plusieurs groupes d’astronomes du monde entier ont assemblé des détecteurs d’ondes gravitationnelles à l’échelle galactique en observant de près le comportement de groupes de types particuliers d’étoiles. Notre expérience, le Réseau de synchronisation MeerKAT Pulsarest le plus grand de ces détecteurs à l’échelle galactique.
Aujourd’hui, nous avons annoncé de nouvelles preuves de l’existence d’ondes gravitationnelles à basse fréquence, mais avec quelques différences intrigantes par rapport aux résultats antérieurs. En seulement un tiers du temps nécessaire à d’autres expériences, nous avons trouvé un signal qui fait allusion à un univers plus actif que prévu.
Nous avons également pu cartographier l’architecture cosmique laissée par la fusion des galaxies avec plus de précision que jamais.
Trous noirs, galaxies et pulsars
Selon les scientifiques, au centre de la plupart des galaxies se trouve un objet gargantuesque connu sous le nom de trou noir supermassif. Malgré leur énorme masse – des milliards de fois la masse de nos Soleil — ces géants cosmiques sont difficiles à étudier.
Les astronomes connaissent les trous noirs supermassifs depuis des décennies, mais n’en ont observé directement qu’un seul. pour la première fois en 2019.
Lorsque deux galaxies fusionnent, les trous noirs en leur centre commencent à tourner en spirale l’un vers l’autre. Au cours de ce processus, ils envoient des ondes gravitationnelles lentes et puissantes qui nous donnent l’occasion de les étudier.
Nous faisons cela en utilisant un autre groupe d’objets cosmiques exotiques : pulsars. Ce sont des étoiles extrêmement denses, constituées principalement de neutrons, qui peuvent avoir la taille d’une ville mais deux fois plus lourdes que le Soleil.
Les pulsars tournent des centaines de fois par seconde. Lorsqu’ils tournent, ils agissent comme des phares, frappant la Terre avec des impulsions de rayonnement provenant de milliers d’années-lumière. Pour certains pulsars, nous pouvons prédire le moment où cette impulsion devrait nous frapper en quelques nanosecondes près.
Nos détecteurs d’ondes gravitationnelles exploitent ce fait. Si nous observons de nombreux pulsars sur la même période de temps et que nous nous trompons sur le moment où les impulsions nous frappent d’une manière très spécifique, nous savons qu’une onde gravitationnelle étire ou comprime l’espace entre la Terre et les pulsars.
Cependant, au lieu de voir une seule vague, nous nous attendons à voir un océan cosmique rempli de vagues s’entrecroisant dans toutes les directions – les ondulations qui font écho à toutes les fusions galactiques de l’histoire de l’univers. Nous appelons cela le fond d’ondes gravitationnelles.
Un signal étonnamment fort – et un « point chaud » intrigant
Pour détecter le fond d’ondes gravitationnelles, nous avons utilisé le Radiotélescope MeerKAT en Afrique du Sud. MeerKAT est l’un des radiotélescopes les plus sensibles au monde.
Dans le cadre du MeerKAT Pulsar Timing Array, il observe un groupe de 83 pulsars depuis environ cinq ans, mesurant avec précision le moment où leurs impulsions arrivent sur Terre. Cela nous a amené à trouver un motif associé à un fond d’ondes gravitationnelles, mais il est un peu différent de ce que d’autres expériences ont trouvé.
Le motif, qui représente la manière dont l’espace et le temps entre la Terre et les pulsars sont modifiés par les ondes gravitationnelles passant entre eux, est plus puissant que prévu.
Cela pourrait signifier qu’il y a plus de trous noirs supermassifs en orbite les uns contre les autres que nous le pensions. Si tel est le cas, cela soulève davantage de questions, car nos théories existantes suggèrent qu’il devrait y avoir moins de trous noirs supermassifs que ce que nous semblons voir.
La taille de notre détecteur et la sensibilité du télescope MeerKAT nous permettent d’évaluer l’arrière-plan avec une extrême précision. Cela nous a permis de créer les cartes les plus détaillées du fond des ondes gravitationnelles à ce jour. Cartographier l’arrière-plan de cette manière est essentiel pour comprendre l’architecture cosmique de notre univers.
Cela pourrait même nous conduire à la source ultime des signaux d’ondes gravitationnelles que nous observons. Même si nous pensons qu’il est probable que l’arrière-plan émerge des interactions de ces trous noirs colossaux, il pourrait également provenir de changements survenus dans l’univers énergétique primitif après le Big Bang – ou peut-être même d’événements plus exotiques.
Les cartes que nous avons créées montrent un « point chaud » intrigant d’activité d’ondes gravitationnelles dans le ciel de l’hémisphère sud. Ce type d’irrégularité conforte l’idée d’un fond créé par des trous noirs supermassifs plutôt que d’autres alternatives.
Cependant, créer un détecteur de taille galactique est incroyablement complexe, et il est trop tôt pour dire s’il s’agit d’une véritable anomalie statistique ou s’il s’agit d’une anomalie statistique.
Pour confirmer nos résultats, nous travaillons à combiner nos nouvelles données avec les résultats d’autres collaborations internationales sous la bannière du Réseau de synchronisation international Pulsar.
Cet article édité est republié à partir de La conversation sous licence Creative Commons. Lire le article original.
