Les observations au radiotélescope des pulsars de la Voie lactée révèlent des distorsions de l’espace-temps probablement causées par d’énormes ondes gravitationnelles traversant tout ce qui existe

Les conclusions publiées aujourd’hui dans Les lettres du journal astrophysique sont du North American Nanohertz Observatory for Gravitational Waves (NANOGrav), une équipe collaborative de chercheurs de plus de 50 institutions aux États-Unis et à l’étranger. L’équipe a effectué une analyse d’étoiles brûlées connues sous le nom de pulsars millisecondes, qui tournent des centaines de fois par seconde et émettent des impulsions radio comme des tic-tac à partir d’horloges cosmiques très précises. L’équipe a découvert ce qui semblait être des variations du “taux de tic-tac” de ces pulsars en comparant les observations de plus de 60 pulsars dans les données du radiotélescope couvrant 15 ans. Leur analyse fournit la preuve que les variations sont causées par des ondes gravitationnelles à basse fréquence qui déforment le tissu de la réalité physique connue sous le nom d’espace-temps.

Selon les découvertes de l’équipe NANOGrav, la distorsion spatiale des ondes gravitationnelles donne l’impression que les taux de tic-tac des signaux radio des pulsars changent. Mais en réalité, c’est l’étirement et la compression de l’espace entre la Terre et les pulsars qui font que leurs impulsions radio arrivent sur Terre des milliardièmes de secondes plus tôt ou plus tard que prévu. Les résultats sont la première preuve de l’arrière-plan des ondes gravitationnelles – une sorte de soupe de distorsions de l’espace-temps qui imprègne l’univers entier et dont l’existence a été prédite depuis longtemps par les scientifiques.

“L’équipe NSF NANOGrav a créé, essentiellement, un détecteur à l’échelle de la galaxie révélant les ondes gravitationnelles qui imprègnent notre univers”, a déclaré le directeur de la NSF, Sethuraman Panchanathan. “La collaboration impliquant des institutions de recherche à travers les États-Unis montre que l’innovation scientifique de classe mondiale peut, doit et doit atteindre chaque partie de notre nation.”

Les ondes gravitationnelles ont été prédites pour la première fois par Albert Einstein en 1916. Elles ne seront confirmées qu’en 2015, lorsque le Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO) a détecté des ondulations spatio-temporelles traversant la Terre. Bien que la source de ces ondulations gravitationnelles soit une collision de deux trous noirs éloignés, la distorsion spatiale résultante détectée par LIGO était plus petite que le noyau d’un atome.

En comparaison, le décalage temporel apparent des pulsars mesuré par l’équipe NANOGrav est de quelques centaines de milliardièmes de seconde et représente une flexion de l’espace-temps entre la Terre et les pulsars sur la longueur d’un terrain de football. Ces distorsions de l’espace-temps ont été 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 connues”, a déclaré Maura McLaughlin, astrophysicienne de l’Université de Virginie-Occidentale, codirectrice du NANOgrav Physics Frontiers Center. “Détecter des ondes gravitationnelles aussi gargantuesques nécessite un détecteur tout aussi massif et de la patience.”

En utilisant 15 ans de données astronomiques enregistrées par des radiotélescopes dans des observatoires soutenus par la NSF – y compris l’observatoire de Green Bank en Virginie-Occidentale, le Very Large Array à Socorro, au Nouveau-Mexique et l’observatoire d’Arecibo à Porto Rico – l’équipe NANOGrav a créé un “détecteur ” de 67 pulsars répartis dans tout le ciel et a comparé le taux de tic-tac de paires de ces pulsars. Grâce à une analyse sophistiquée des données, ils ont déduit la présence du fond d’ondes gravitationnelles provoquant la distorsion de l’espace, et ont ainsi expliqué les changements de synchronisation apparents des pulsars.

Il s’agit de la première preuve d’ondes gravitationnelles à ces basses fréquences”, a déclaré Stephen Taylor, astrophysicien de l’Université Vanderbilt, président de la collaboration NANOGrav et co-responsable de l’effort de recherche. “La source probable de ces ondes sont des paires distantes d’orbites proches, trous noirs ultra-massifs.”

“Il y a tellement de choses que nous devons encore comprendre sur la nature physique de l’univers et c’est pourquoi la National Science Foundation soutient des efforts d’équipe audacieux comme NANOGrav – pour élargir nos connaissances au profit de la société”, a déclaré le directeur adjoint de la NSF pour les mathématiques et Sciences physiques Sean L. Jones.

Les résultats de l’équipe fournissent de nouvelles informations sur l’évolution des galaxies et sur la croissance et la fusion des trous noirs supermassifs. La distorsion généralisée de l’espace-temps révélée dans leurs découvertes implique que des paires extrêmement massives de trous noirs peuvent être également répandues dans l’univers, se chiffrant peut-être par centaines de milliers, voire par millions. À terme, l’équipe NANOGrav espère pouvoir identifier des paires de trous noirs supermassifs spécifiques en traçant les ondes gravitationnelles qu’elles émettent. Ils pourraient même découvrir des traces d’ondes gravitationnelles du tout premier univers.

“Alors que nos premières données nous disaient que nous entendions quelque chose, nous savons maintenant que c’est la musique de l’univers gravitationnel”, a déclaré Xavier Siemens, codirecteur de NANOGrav et astrophysicien de l’Oregon State University. “Alors que nous continuons à écouter, des instruments individuels viendront au premier plan dans cet orchestre cosmique.”