Découverte du fond stochastique d'ondes gravitationnelles

03 July 2023

Plusieurs collaborations internationales en radio-astronomie viennent d'annoncer la première détection du fond stochastique d'ondes gravitationnelles. J'ai cosigné une des publications de l'EPTA.

Ce jeudi 29 Juin 2023, plusieurs collaborations internationales en radio-astronomie, NANOGRAV, EPTA, PPTA, InPTA et CPTA, ont annoncé avoir détecté indépendamment un fond stochastique d'ondes gravitationnelles dans une bande de fréquences située autour du milliardième de Hertz. C'est une découverte majeure qui devrait nous permettre d'en apprendre beaucoup sur la formation des galaxies et sur la physique a l’œuvre dans tout l'Univers.

Mes contributions à la publication de EPTA, Ref. [1], concernent l'analyse des différentes sources cosmologiques possibles, dont les cordes cosmiques, un des domaines d'expertise de mon laboratoire CURL.

Le fond stochastique d'ondes gravitationnelles est la superposition de toutes les ondes gravitationnelles émises dans l'univers. Par analogie avec le son, c'est comme si nous avions etendu le brouhaha d'une foule sans toutefois parvenir à distinguer une conversation en particulier. Ce bruit de fond est très intéressant car il donne accès aux propriétés stochastiques et globales de toutes les sources à la fois.

Tout aussi spectaculaire que cette découverte est la méthode utilisée pour trouver ce fond d'ondes gravitationnelles. Point de détecteurs terrestres ou spatiaux, mais des étoiles à neutrons particulières. Une étoile à neutron est le cœur chaud et ulta-dense qu'il reste après qu'une étoile supermassive (entre 10 et 20 fois la masse du Soleil) ait explosé en supernova. La fameuse nébuleuse du Crabe, un rémanent de supernova, contient un pulsar en son centre.

M1, la nébuleuse du Crabe

Les réseaux de pulsars millisecondes, ou Pulsar Timing Arrays (PTA) en anglais, utilisent des étoiles à neutrons tournant très rapidement sur elles-même et émettant un fort rayonnement dans la direction de leur axe magnétique. À la manière d'un phare, le pulsar semble avoir une pulsation lorsque ce rayonnement radio se trouve en direction de la Terre.

La pulsation très régulière des pulsars en font des horloges célestes extrêmement précises. En observant ces pulsars pendant plus de dix ans au moyen de radiotélescopes, et en notant soigneusement les petites irrégularités dans les temps d'arrivée de leur flash, les radioastronomes sont parvenus à mettre en évidence l'existence de ce fond stochastique d'ondes gravitationnelles. En effet, lorsque ces ondes gravitationnelles passent entre la Terre et les pulsars, elles induisent des déformations de l'espace-temps qui laissent une corrélation caractéristique entre les temps d'arrivée des flashs.

Corrélations de Hellings et Downs

Si la nature "onde gravitationnelle" de ce signal est donc établie, plusieurs interprétations sont néanmoins possibles concernant son origine. L'hypothèse présentée comme la plus naturelle est celle d'un fond stochastique dû à des binaires de trous noirs supermassifs. D'autres propositions, comme les cordes cosmiques ou les transitions de phases du premier ordre, permettraient aussi d'expliquer les observations, avec d'importantes conséquences pour notre compréhension des premiers instants de l'Univers.

Réferences

  • [1] ANTONIADIS, J., ARUMUGAM, P., ARUMUGAM, S., et al. The second data release from the European Pulsar Timing Array: V. Implications for massive black holes, dark matter and the early Universe. arXiv e-prints, 2023, p. arXiv: 2306.16227.