Les duos de trous noirs supermassifs causent des ondes gravitationnelles qui modifient le tic-tac précis des pulsars perçu par les télescopes. Illustration: Danielle Futselaar/MPIfR
Après 25 ans de collecte de données par six radiotélescopes, l’annonce est tombée : des ondes gravitationnelles immensément « étendues », témoignant de la fusion de trous noirs supermassifs au cœur de galaxies, ont été détectées. Une première!
Ce résultat obtenu par un consortium d’astronomes européens a été publié dans la revue Astronomy and Astrophysics. L’annonce est coordonnée avec des publications similaires issues d’autres collaborations dans le monde, à savoir les collaborations australienne (PPTA), chinoise (CPTA) et nord-américaine (NANOGrav).
Les ondes gravitationnelles, ces « rides » dans l’espace-temps qui se propagent comme des vaguelettes à la surface de l’eau, sont générées par des phénomènes cataclysmiques, comme des fusions de trous noirs. En tournant l’un autour de l’autre de plus en plus vite, ces astres massifs déforment le tissu de l’espace-temps. Ces distorsions se propagent jusqu’à nous et peuvent être détectées par des instruments ultrasensibles, comme les interféromètres LIGO et Virgo. Mais ces détecteurs ne peuvent percevoir que des ondes relativement courtes, issues de « petits » trous noirs ou d’étoiles à neutrons en collision. Or, aussi impressionnants soient-ils, ces cataclysmes ne sont rien à côté d’un choc frontal entre deux galaxies, par exemple.
Pour déceler des ondes de très basses fréquences, qui seraient justement émises par des collisions à des échelles monumentales, il a fallu ruser. La clé? Les pulsars, ces étoiles ultra-denses qui émettent des impulsions radio régulières, un peu comme des métronomes. En scrutant leur pulsation avec précision, grâce à 25 ans de données, les scientifiques ont pu déceler la trace du passage de ces ondes gravitationnelles géantes. Elles transportent environ un million de fois plus d’énergie que les ondes repérées par LIGO et Virgo, et leurs fréquences d’oscillation s’étalent sur des décennies.
Québec Science a demandé à Victoria Kaspi, astrophysicienne de l’Université McGill et membre active de NANOGrav, de décrypter cette découverte. Il se trouve que sa thèse de doctorat dans les années 1990 portait justement sur l’utilisation possible des pulsars pour détecter ce type d’ondes… « C’est un plaisir et une grande satisfaction pour moi de voir que ce travail a contribué à jeter les bases de la réussite d’aujourd’hui. »
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Québec Science: En quoi ces ondes gravitationnelles sont-elles différentes de celles détectées pour la première fois en 2015 par l’observatoire LIGO?
Victoria Kaspi: Les ondes gravitationnelles détectées par LIGO ont une longueur d’onde d’environ 50 à 10 000 km. Les ondes décelées par NANOGrav ont une longueur d’ondes de 10 à 200 années-lumière! C’est très différent.
QS Si elles sont si « étendues », c’est qu’elles sont déclenchées par la fusion de trous noirs supermassifs, et non pas de trous noirs stellaires. On parle ici d’objets qui sont des milliards de fois plus massifs que le Soleil! Est-ce qu’on savait que ces trous noirs pouvaient fusionner?
VK Ces résultats confirment justement cette hypothèse. On sait d’une part que l’Univers est rempli de galaxies, et que ces galaxies interagissent et fusionnent parfois. D’autre part, nous croyons aussi – ou du moins, c’est notre hypothèse – que chaque galaxie possède en son centre un trou noir supermassif.
Si ces deux notions sont vraies, alors on s’attend à ce que, parfois, deux trous noirs supermassifs puissent fusionner et produire ce type d’ondes gravitationnelles. Le défi, bien sûr, était de trouver une façon de les détecter. Et c’est ce que ces travaux ont fait!
Il s’agit donc d’une preuve très solide de la présence de ces ondes, et cela confirme par conséquent que nos hypothèses sur l’Univers sont vraies.
QS En quoi les pulsars sont-ils de bons outils pour détecter ces ondes gravitationnelles de basse fréquence?
VK Les pulsars sont parfaits pour cela parce qu’ils produisent des signaux très réguliers. Au point que si on s’en servait comme des horloges, ils seraient beaucoup, beaucoup plus précis que la meilleure des Rolex! En fait, plusieurs des pulsars étudiés par le consortium sont comparables, en termes de régularité, aux meilleures horloges atomiques.
Lorsqu’une onde gravitationnelle passe entre un radiotélescope sur Terre et un pulsar, la fréquence apparente de pulsation est légèrement affectée.
QS En quoi le radiotélescope canadien CHIME, avec lequel vous travaillez, peut-il être utile pour ce type d’observation?
VK CHIME est fortement impliqué dans le groupe NANOGrav et permet de surveiller les sources en question presque quotidiennement. Il est exceptionnel parce qu’il permet d’observer chaque jour la totalité de la voûte céleste de l’hémisphère Nord, en étudiant l’Univers de différentes façons, notamment en cherchant des sursauts radio rapides, un autre phénomène astrophysique mystérieux. Bien que les données de CHIME n’apparaissent pas dans les données utilisées pour le travail publié aujourd’hui, elles figureront assurément dans les prochaines publications de NANOGrav.
