Le « bruit de fond gravitationnel » de l’Univers enregistré pour la première fois

Les équipes de l’IPTA, un consortium d’institutions scientifiques qui traquent et étudient les ondes gravitationnelles, prévoient une « annonce majeure » dans la soirée du 29 juin. Mais le suspense est retombé pendant la nuit avec la publication d’une série de papiers très évocateurs dans l’Astrophysical Journal Letters, un journal de référence dans cette discipline. Il semble que les pronostics des observateurs étaient corrects; d’après ces études, les chercheurs ont enfin réussi à repérer la trace du fond cosmologique d’ondes gravitationnelles.

Ce terme est défini par analogie avec le fond diffus cosmologique – un rayonnement électromagnétique homogène qui s’étend à tout l’univers observable. De la même façon, la relativité générale d’Einstein propose que notre monde est parcouru en permanence par des ondes gravitationnelles. Pour rappel, il s’agit d’oscillations de l’espace-temps produites par les déplacements de corps célestes massifs.

Des phénomènes quasiment insaisissables

L’étude de ces phénomènes est une discipline encore très jeune. Ces ondes n’ont été observées pour la première fois qu’en 2015 par les équipes du LIGO et du Virgo, avec un Prix Nobel à la clé. Mais il s’agissait d’ondes gravitationnelles à la fréquence relativement élevée. Celles de basse fréquence, qui constituent ce fameux fond gravitationnel, n’ont jamais été détectées jusqu’à présent.

En effet, le LIGO et ses équivalents ne sont pas capables de repérer cette catégorie d’ondes. Leurs oscillations s’étendent sur plusieurs années-lumière, et ces instruments travaillent à une échelle bien plus réduite. En substance, cela reviendrait à essayer de mesurer le diamètre de la Terre avec une simple règle graduée.

Pour y parvenir, les chercheurs se sont appuyés sur un grand réseau planétaire de détecteurs spécialisés. Ils sont gérés par plusieurs institutions rassemblées dans un consortium baptisé International Pulsar Timing Array, ou IPTA. Cette structure comprend le NANOGrav américain, l’European Pulsar Timing Array, l’Indian Pulsar Timing Array Project, et le Parkes Pulsar Timing Array basé en Australie.

Les pulsars à la rescousse

Ces instruments traquent les ondes gravitationnelles de façon indirecte, en s’intéressant aux signaux émis par des pulsars. Ce sont des objets qui peuvent apparaître à la fin de la vie d’une étoile massive. Celle-ci laisse derrière elle une dépouille extrêmement dense, composée quasi exclusivement de neutrons. On parle alors d’étoile à neutrons.

Certaines de ces étoiles à neutrons tournent sur elle-même à une vitesse prodigieuse tout en émettant un flux d’ondes radio qui voyagent à travers l’espace. Depuis la Terre, il est parfois possible de capter ces ondes radio par intermittence, comme s’il s’agissait de la lumière d’un énorme phare cosmique.

Ces pulsations ont la particularité d’être extrêmement régulières. Elles sont si précises qu’elles servent de référence aux astronomes dans de nombreux travaux. Or, les ondes gravitationnelles générées par certains événements cataclysmiques, comme la collision de deux trous noirs supermassifs, peuvent perturber cette dynamique.

En pratique, ces oscillations de l’espace-temps génèrent des variations infinitésimales dans ces signaux à la précision métronomique. Et c’est dans ces petits écarts de timing que les chercheurs ont retrouvé la cible de cette grande quête scientifique.

En mesurant les variations des signaux de dizaines de pulsars pendant une quinzaine d’années, les chercheurs ont enfin trouvé une trace des ondes gravitationnelles à basse fréquence. Elles proviennent vraisemblablement des gigantesques trous noirs supermassifs qui structurent de nombreuses galaxies. Mais les chercheurs avancent aussi d’autres hypothèses encore plus exotiques. Par exemple, ils considèrent aussi les cordes cosmiques comme des candidats potentiels.

Des implications profondes en cosmologie

À cause de ces incertitudes, les chercheurs à l’origine de ces travaux se montrent particulièrement prudents. Ils se refusent à utiliser le terme de « détection ». À la place, ils ont préféré parler de « preuves très fortes en faveur du fond cosmologique d’ondes gravitationnelles ». « La communauté des ondes gravitationnelles est extrêmement prudente par rapport à ce genre de chose », explique Scott Ryanson, ancien responsable du NANOGrav cité par Wired.

Mais Stephen Taylor, un chercheur du NANOGrav cité par Ars Technica, explique que l’équipe a confiance dans son interprétation. Selon lui, « il y a moins d’une chance sur 1000 » que ces mesures proviennent d’une anomalie statistique.

Quoi qu’il en soit, il s’agit d’une avancée majeure. Les ondes gravitationnelles sont une composante très importante des modèles cosmologiques qui permettent de décrire notre Univers. Le fait d’avoir enfin mis un doigt sur cette catégorie particulièrement élusive pourrait défricher de nouvelles pistes de recherche fascinantes. Avec de nouvelles découvertes potentiellement révolutionnaires à la clé. « Après des années de travail, nous avons ouvert une toute nouvelle fenêtre sur l’univers des ondes gravitationnelles », se réjouit Taylor.

Pour en savoir plus sur les implications de ces travaux, nous vous donnons rendez-vous lors de la présentation officielle de ces résultats. La conférence sera diffusée ce soir (29 juin) à 19 h sur la chaîne YouTube du consortium (à cette adresse). En parallèle, il conviendra aussi de garder un œil sur l’observatoire IceCube. Cette institution spécialisée dans l’étude des neutrinos prépare également une grande annonce au sujet de ses particules fétiches. La conférence aura lieu à 20h, une heure après celle de NANOGrav (voir notre article).

Les textes des études sont disponibles à cette adresse.

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