La récente détection des ondes gravitationnelles constitue l’un des plus grands succès de l’astrophysique moderne. Jusqu’à maintenant, en combinant les fusions de trous noirs stellaires et d’étoiles à neutrons, ce sont cinq événements générateurs d’ondes gravitationnelles qui ont été observés grâce aux collaborations LIGO et Virgo.

Cependant, il existe dans l’univers des fusions impliquant des objets bien plus imposants que les trous noirs stellaires et les étoiles à neutrons, et dont les ondes gravitationnelles associées n’ont toujours pas été détectées : les fusions de trous noirs supermassifs.

Les trous noirs supermassifs (TNSM) sont des objets au moins 1 million de fois plus massifs que le Soleil, bien que leur masse puisse atteindre plusieurs milliards de masses solaires. Les TNSM se trouvent au centre des galaxies massives (1), à l’image de Sagittarius A*, occupant le centre de la Voie Lactée et possédant une masse d’environ 4.3 millions de masses solaires (2). Quand ces galaxies entrent en collision, leurs TNSM centraux spiralent l’un autour de l’autre, provoquant une importante émission d’ondes gravitationnelles.

Image prise par le télescope Chandra X-Ray montrant le trou noir supermassif Sagittarius A*, situé au centre de la Voie Lactée. Crédits : Chandra X-Ray Observatory/NASA

Ces ondes gravitationnelles sont produites à des fréquences plus basses (de l’ordre du nanohertz) que celles produites par les fusions de trous noirs plus petits et par les étoiles à neutrons. De telles fréquences passent donc entre les mailles des interféromètres et, par conséquent, ne peuvent être détectées par des instruments comme LIGO et Virgo. Comme le précise Joseph Lazio (Jet Propulsion Laboratory, Californie), « observer les ondes gravitationnelles basse fréquence reviendrait à être capable d’entendre les voix de basses et pas uniquement les sopranos ».

Cependant, les scientifiques ne sont pas sans ressources. En effet, dans une récente publication parue le 13 novembre 2017 dans le journal Nature (3), une équipe d’astrophysiciens proposent d’utiliser des ensembles de pulsars millisecondes (Pulsar Timing Arrays, PTAs) dans le but de détecter les ondes gravitationnelles basse fréquence (encore appelées « fonds d’ondes gravitationnelles ») émises par les TNSM binaires (système de deux TNSM).

Les pulsars : des objets cosmiques réglés comme des horloges

Découverts en 1967 par les astronomes Jocelyn Bell et Anthony Hewish, les pulsars sont les restes d’étoiles massives ayant explosé lors de supernovas de type II (supernovas à effondrement de cœur). Certaines de ces supernovas donnent naissance à des trous noirs, tandis que d’autres donnent naissance à des étoiles à neutrons.

Une partie de ces étoiles à neutrons possèdent une vitesse de rotation extrêmement élevée, allant de la milliseconde à la seconde. Les étoiles à neutrons possèdent un puissant champ magnétique (allant de 104 teslas pour les plus faibles jusqu’à 1011 teslas pour les plus élevés), dont l’axe ne coïncide pas avec l’axe de rotation de l’étoile.

Ainsi, selon une période correspondant à la période de rotation de l’étoile à neutrons, cette dernière émet un puissant rayonnement électromagnétique sous la forme de faisceaux, émis à chacun de ses pôles (deux faisceaux sont donc simultanément émis dans des directions opposées). Ce signal périodique est produit de manière très stable, la période de rotation de l’étoile étant elle-même stable.

pulsar crabe image composite

Image composite visible/rayon X du pulsar du Crabe, né de la supernova historique SN 1054, montrant le gaz environnant la nébuleuse, agité par le champ magnétique et le rayonnement du pulsar. Crédits : NASA

Parmi les différents types de pulsars, les pulsars millisecondes servent d’horloges quasi-parfaites aux astrophysiciens. Un pulsar milliseconde est un pulsar dont la période de rotation s’échelonne entre 1 et 10 millisecondes ; un tel pulsar effectue donc en moyenne 300 rotations/seconde. Ces pulsars sont donc particulièrement sensibles aux modifications de leur environnement, et notamment aux fluctuations de la géométrie de l’espace-temps.

De telles fluctuations entraînent naturellement des bruits chronométriques, c’est-à-dire des irrégularités dans l’émission des pulsations. Les astronomes peuvent ainsi se servir de plusieurs de ces pulsars millisecondes (l’on parle « d’ensemble de pulsars millisecondes » ou de « PTAs ») comme réseau de détection autour de la Terre.

Des pulsars millisecondes pour détecter les ondes gravitationnelles basse fréquence

Utiliser les ensembles de pulsars pour observer le fond d’ondes gravitationnelles n’est pas une nouveauté. En effet, les scientifiques du North American Nanohertz Observatory for Gravitational Waves (NANOGrav) emploient déjà cette technique dans la poursuite de cet objectif.

Toutefois, dans cette nouvelle étude visant particulièrement les TNSM binaires, les auteurs ont pour la première fois analysé les données issues des PTAs concernant les galaxies contenant ces systèmes binaires.

À partir des données recueillies, les astrophysiciens ont été en mesure de prédire quels TNSM binaires étaient amenés à fusionner et déterminer le temps nécessaire à la détection de ces fusions. À ce sujet, Chiara Mingarelli (Flatiron Institute, New-York) explique « qu’en étendant notre réseau de pulsars sur les dix prochaines années, nous devrions être en mesure de détecter les ondes gravitationnelles d’au moins un TNSM binaire ».

Pour ce faire, les auteurs ont utilisé les données du 2 Micron All-Sky Survey (2MASS). 2MASS est un grand relevé astronomique réalisé par l’université du Massachussetts, le JPL et la NASA et effectué de 1997 à 2001 au moyen de deux télescopes automatisés de 1.3 mètre de diamètre. Ils ont ensuite combiné ces données avec les résultats concernant le taux de fusion galactique issus du projet Illustris, une simulation cosmologique à grande échelle contenant 41416 galaxies extrêmement détaillées.

observation champ profond hubble

Observation du Champ Profond par Hubble. À gauche, l’observation réelle effectuée par Hubble. À droite, le champ reconstitué par Illustris. Crédits : Illustris Project

Sur les 5000 galaxies étudiées comprises dans une zone de 225 Mpc (mégaparsecs), les chercheurs ont déterminé que, parmi celles-ci, 91±7 contiendraient des TNSM binaires fortement susceptibles de fusionner et 7±2 contiendraient des TNSM binaires insusceptibles de fusionner.

En outre, les résultats indiquent que plus les galaxies et leurs TNSM sont massifs, plus la fusion de ces derniers est rapide. Ainsi, la fusion des TNSM au sein de la galaxie supergéante M87 ne prendrait « que » 4 millions d’années. Tandis que la fusion des TNSM au sein de la galaxie du Sombrero dont la taille, plus petite (équivalente à la Voie Lactée), s’étalerait sur environ 160 millions d’années. Ainsi, plus les galaxies sont massives, plus les fenêtres d’observation sont courtes.

Les astrophysiciens ont la possibilité de détecter précocement ces fusions car, contrairement aux instruments comme LIGO et Virgo, qui ne détectent les ondes gravitationnelles qu’au moment de la fusion, les PTAs sont suffisamment sensibles pour détecter les ondes gravitationnelles des TNSM binaires plusieurs millions d’années avant leur fusion. Selon les données analysées, les TNSM binaires commencent à produire des ondes gravitationnelles 109 années avant la fusion.

donnees ptas et graphe chronologie fusion tnsm

Image 1: Les données issues des PTAs montrent 131 TNSM binaires émettant des ondes gravitationnelles sur toutes les fréquences. Image 2 : Graphe présentant la probabilité de fusion de TNSM binaires en fonction du nombre de galaxies abritant des TNSM binaires. Les données indiquent que 91±7 galaxies abritent des TNSM binaires dont la fusion est très probable. Image 3 : Graphe présentant la chronologie d’une fusion de TNSM binaires (temps en fonction de la distance des deux TNSM. Les ondes gravitationnelles commencent à être émises 109 années avant la fusion, lorsque les TNSM se trouvent à moins de 10 parsecs l’un de l’autre. Crédits : C. Mingarelli et al.

Les ondes gravitationnelles sont des perturbations de l’espace-temps et donc, à ce titre, modifient temporairement sa géométrie lors de leur passage. Cette distorsion de la métrique de l’espace-temps perturbe la rotation des pulsars millisecondes, modifiant très légèrement, mais de manière détectable, la périodicité de leur signal.

Le fond d’ondes gravitationnelles produit par les TNSM binaires se situe dans la bande de fréquence du nanohertz. Des fréquences aussi basses rendent de ce fait la détection de ces ondes gravitationnelles impossible pour les instruments terrestres. Cependant, les PTAs, du fait de leur extrême sensibilité, réagissent aux fréquences comprises entre 10-9 et 10-7 Hz (4).

En effet, puisque la périodicité du signal est prédictible, il suffit alors de chercher des altérations dans les délais de réception. Mingarelli précise que « une différence entre le moment où le signal du pulsar arrive et le moment où il devrait théoriquement arriver peut indiquer une onde gravitationnelle. Et puisque les pulsars que nous étudions sont à 3000 années-lumière de distance, ils agissent comme un détecteur d’ondes gravitationnelles à l’échelle cosmologique ».

De nombreuses questions demeurent encore concernant le mécanisme de fusion des TNSM, la formation des galaxies ou encore les paramètres de la collision future entre Andromède et la Voie Lactée, d’ici 4 millions d’années. Comme le rappelle Leonidas Moustakas (JPL), « détecter les ondes gravitationnelles produites par les fusions de TNSM aidera à éclaircir certaines des énigmes les plus tenaces à propos des processus de formation galactique ».

Sources : OpenLibrary, Arxiv.org, Nature, PNCG 2015

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