Repousser les limites des ondes gravitationnelles à ultra-basse fréquence

La compréhension des mystères de l’univers s’enrichit continuellement grâce aux efforts inlassables des physiciens. Une équipe de chercheurs vient de franchir une nouvelle étape dans l’exploration de l’espace-temps en développant une méthode de détection des ondes gravitationnelles à très basse fréquence.

L’outil pourrait bien éclairer des pans obscurs de l’histoire cosmique, notamment les phases initiales de fusion entre les trous noirs supermassifs. Plongeons ensemble dans les profondeurs de cette découverte.

La détection des ondes gravitationnelles à basse fréquence

Les ondes gravitationnelles, ces infimes perturbations de la trame de l’espace-temps, sont au cœur des recherches actuelles en physique. Elles sont générées par des événements cosmiques d’une puissance inouïe, tels que les fusions de trous noirs supermassifs, les objets les plus massifs de l’univers.

Jeff Dror, Ph.D., professeur assistant de physique à l’Université de Floride et co-auteur de l’étude, souligne l’importance de ces ondes qui nous parviennent des confins de l’univers et influencent le trajet de la lumière. Leur étude pourrait nous aider à reconstituer l’histoire cosmique, à l’instar des découvertes relatives au fond diffus cosmologique.

La méthode mise au point par Dror et son co-auteur, William DeRocco, chercheur postdoctoral à l’Université de Californie à Santa Cruz, permet de détecter des ondes gravitationnelles oscillant à une fréquence extrêmement basse, ne se produisant qu’une fois tous les mille ans. Ces fréquences sont 100 fois plus lentes que celles des ondes gravitationnelles mesurées jusqu’à présent.

Une nouvelle fenêtre sur l’histoire de l’univers

Les ondes gravitationnelles sont comparables à des ondulations dans l’espace. Variants en fréquence et en amplitude, elles renferment des informations précieuses sur leur origine et leur ancienneté. Les ondes gravitationnelles qui nous atteignent peuvent osciller à des fréquences extrêmement basses, bien inférieures à celles des ondes sonores perceptibles par l’oreille humaine. Certaines des fréquences les plus basses détectées par le passé étaient de l’ordre du nanohertz.

Jeff Dror compare ces fréquences à celles des ondes sonores émises par le rugissement d’un alligator, qui sont environ 100 milliards de fois plus élevées. La nouvelle méthode de détection repose sur l’analyse des pulsars, des étoiles à neutrons émettant des ondes radio à intervalles très réguliers. En recherchant un ralentissement progressif dans l’arrivée de ces impulsions, il est possible de révéler de nouvelles ondes gravitationnelles.

Cette technique a permis à Dror de rechercher des ondes gravitationnelles à des fréquences encore plus basses, étendant notre «gamme d’audition» à des fréquences aussi basses que 10 picohertz, soit 100 fois inférieures aux efforts précédents qui détectaient des ondes au niveau du nanohertz.

Les perspectives futures de la recherche

Alors que les ondes gravitationnelles d’environ un nanohertz ont déjà été détectées, leur origine reste encore mystérieuse. Deux théories principales sont avancées : la première suggère que ces ondes résultent de la fusion entre deux trous noirs supermassifs, ce qui, si cela s’avère exact, offrirait aux chercheurs une nouvelle manière d’étudier le comportement de ces géants nichés au cœur de chaque galaxie. La seconde théorie postule que ces ondes ont été créées par un événement cataclysmique survenu tôt dans l’histoire de l’univers. En étudiant les ondes gravitationnelles à des fréquences encore plus basses, il pourrait être possible de différencier ces hypothèses.

Jeff Dror envisage d’analyser de nouveaux ensembles de données, notamment ceux recueillis après 2015, période à laquelle les données utilisées pour cette étude s’arrêtent. Un grand nombre d’observations de pulsars ont été réalisées depuis, offrant un potentiel considérable pour de futures découvertes.

De plus, des simulations sur des données fictives seront effectuées à l’aide du superordinateur HiPerGator de l’Université de Floride, permettant de dérouler plus efficacement l’histoire cosmique. Ce superordinateur est capable d’exécuter des simulations complexes de grande envergure, réduisant significativement le temps nécessaire à l’analyse des données.

Article : « Using Pulsar Parameter Drifts to Detect Subnanohertz Gravitational Waves » – DOI: 10.1103/PhysRevLett.132.101403