Einstein avait raison : NANOGrav confirme l’existence des ondes gravitationnelles

Dans l’immense théâtre de l’univers, une subtile danse se joue en coulisses : celle de l’expansion et de la contraction de l’espace-temps. Ce phénomène invisible à nos yeux est le fruit du passage des ondes gravitationnelles à travers notre galaxie, tel que révélé dans une nouvelle étude du NANOGrav Physics Frontiers Center, soutenu par la Fondation Nationale des Sciences des États-Unis.

Le résultat de cette étude, publié aujourd’hui dans The Astrophysical Journal Letters, émane des travaux de l’Observatoire Nord-Américain des Ondes Gravitationnelles Nanohertz (NANOGrav). Cette équipe, composée de chercheurs de plus de 50 institutions internationales, a réalisé une analyse minutieuse d’étoiles éteintes baptisées pulsars millisecondes.

Ces astres effectuent plusieurs centaines de rotations par seconde et émettent des impulsions radio à la manière d’horloges cosmiques de haute précision. L’observation de plus de 60 pulsars sur une période de 15 ans a révélé des variations inexpliquées dans leur « taux de tic-tac », suggérant une distorsion de l’espace-temps causée par des ondes gravitationnelles de basse fréquence.

La distorsion de l’espace-temps expliquée

Selon les résultats de NANOGrav, la distorsion spatiale créée par les ondes gravitationnelles donne l’illusion que les taux d’émission des impulsions radio des pulsars sont modifiés. En réalité, c’est la compression et l’extension de l’espace entre la Terre et ces pulsars qui provoquent une variation de l’arrivée des impulsions radio sur Terre, décalée de milliardièmes de secondes. Ces résultats constituent la première preuve de l’existence du fond diffus d’ondes gravitationnelles, une sorte de bouillon de distorsions de l’espace-temps qui baigne l’univers, prédit de longue date par les scientifiques.

« En créant ce détecteur à l’échelle de la galaxie, l’équipe NANOGrav a révélé les ondes gravitationnelles qui imprègnent notre univers« , a déclaré Sethuraman Panchanathan, Directeur de la NSF. « Cette collaboration illustre que l’innovation scientifique de classe mondiale peut, doit et parvient à toucher chaque partie de notre nation. »

Les ondes gravitationnelles, une prédiction d’Einstein

Les ondes gravitationnelles, prédites par Albert Einstein en 1916, ont été confirmées en 2015 par le détecteur d’ondes gravitationnelles par interférométrie laser (LIGO). Bien que la source de ces ondes gravitationnelles fût une collision de deux trous noirs lointains, la distorsion spatiale détectée par LIGO était plus petite que le noyau d’un atome.

Comparativement, le décalage temporel apparent des pulsars mesuré par l’équipe NANOGrav correspond à quelques centaines de milliardièmes de secondes et représente une flexion de l’espace-temps entre la Terre et les pulsars d’environ la longueur d’un terrain de football. Ces distorsions de l’espace-temps sont causées par des ondes gravitationnelles si immenses que la distance entre deux crêtes est de 2 à 10 années-lumière, soit environ 9 à 90 billions de kilomètres.

« Ce sont de loin les ondes gravitationnelles les plus puissantes que l’on connaisse« , a déclaré l’astrophysicienne Maura McLaughlin, co-directrice du NANOGrav Physics Frontiers Center. « Détecter de telles ondes gravitationnelles titanesques nécessite un détecteur tout aussi massif, et de la patience. »

Une méthode de détection innovante

L’équipe NANOGrav a utilisé 15 ans de données astronomiques enregistrées par des radiotélescopes soutenus par la NSF, y compris le Green Bank Observatory en Virginie-Occidentale, le Very Large Array à Socorro, au Nouveau-Mexique, et l’Observatoire d’Arecibo à Porto Rico.

Grâce à ces données, ils ont créé un « détecteur » de 67 pulsars répartis dans tout le ciel et ont comparé le taux de tic-tac de ces pulsars. Grâce à une analyse de données sophistiquée, ils ont déduit la présence du fond d’ondes gravitationnelles causant la distorsion de l’espace, expliquant ainsi les variations apparentes du timing des pulsars.

« C’est la première preuve de l’existence d’ondes gravitationnelles à ces basses fréquences« , a déclaré l’astrophysicien Stephen Taylor, président de la collaboration NANOGrav et co-responsable de l’effort de recherche. « La source probable de ces ondes sont des paires distantes de trous noirs ultra-massifs en orbite rapprochée.« 

Les implications de la découverte de NANOGrav

Les résultats de l’équipe apportent de nouvelles perspectives sur l’évolution des galaxies et sur la croissance et la fusion des trous noirs supermassifs. La distorsion de l’espace-temps révélée dans leurs travaux suggère que des paires de trous noirs extrêmement massives pourraient être également répandues dans l’univers, peut-être par centaines de milliers, voire par millions.

À terme, l’équipe NANOGrav espère pouvoir identifier des paires spécifiques de trous noirs supermassifs en traçant les ondes gravitationnelles qu’ils émettent. Ils pourraient même découvrir des traces d’ondes gravitationnelles issues des premiers instants de l’univers.

« Si nos premières données nous indiquaient que nous entendions quelque chose, nous savons maintenant que c’est la musique de l’univers gravitationnel« , a déclaré Xavier Siemens, co-directeur de NANOGrav et astrophysicien à l’Université d’État de l’Oregon. « Au fur et à mesure que nous continuerons à écouter, des instruments individuels se démarqueront dans cet orchestre cosmique. »

En synthèse

La découverte de NANOGrav offre une perspective unique sur l’espace-temps, son expansion et sa contraction en raison des ondes gravitationnelles. Bien que ces ondes soient invisibles et impalpables pour nous, elles façonnent l’univers de manière fondamentale. Les pulsars millisecondes, en tant qu’horloges cosmiques précises, sont des outils inestimables pour la détection de ces ondes. L’impact des résultats de NANOGrav sur notre compréhension de l’évolution des galaxies et des trous noirs supermassifs est considérable, et offre de nouvelles perspectives pour l’astrophysique.

Pour une meilleure compréhension

1. Qu’est-ce que l’espace-temps ? L’espace-temps est le tissu de l’univers qui intègre les trois dimensions de l’espace et la dimension du temps en une seule entité à quatre dimensions.
2. Qu’est-ce qu’une onde gravitationnelle ? Une onde gravitationnelle est une perturbation de l’espace-temps causée par un objet massif en mouvement, comme un trou noir en rotation ou une étoile qui explose.
3. Qu’est-ce qu’un pulsar milliseconde ? Un pulsar milliseconde est une étoile à neutrons qui tourne très rapidement, émettant des impulsions radio à intervalles réguliers de l’ordre de la milliseconde.
4. Comment les ondes gravitationnelles affectent-elles les pulsars ? Les ondes gravitationnelles distordent l’espace-temps entre la Terre et les pulsars, ce qui modifie le moment d’arrivée des impulsions radio émises par les pulsars.
5. Quelle est l’importance de la découverte de NANOGrav ? La découverte de NANOGrav est significative car elle fournit la première preuve de l’existence d’ondes gravitationnelles à basses fréquences, ce qui pourrait aider les scientifiques à comprendre l’évolution des galaxies et le comportement des trous noirs supermassifs.

Légende Illustration interprétation artistique d’un ensemble de pulsars affectés par les ondulations gravitationnelles produites par un trou noir binaire supermassif dans une galaxie lointaine. Credit : Aurore Simonnet for the NANOGrav Collaboration.