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Au sein du Système solaire, chaque corps exerce sa propre force gravitationnelle sur le Soleil, qui par conséquent subit un très léger déplacement. Le centre du Soleil n’est donc pas exactement le centre gravitationnel précis (ou barycentre) de notre système solaire. Ce dernier se situe quelque part près de sa surface, juste à l’extérieur de l’étoile.

Bien entendu, déterminer le point précis du barycentre n’a pas été facile pour les chercheurs, en raison de la myriade d’influences gravitationnelles en jeu. Mais à présent, et ce à l’aide d’un logiciel spécialement conçu dans ce but, une équipe internationale d’astronomes a réduit l’emplacement du barycentre de notre système solaire à moins de 100 mètres. Cette avancée pourrait considérablement améliorer nos mesures des ondes gravitationnelles.

Tout cela est notamment lié aux pulsars. Ces étoiles mortes peuvent tourner sur elles-mêmes extrêmement rapidement, à des échelles de temps d’une milliseconde, projetant des faisceaux de rayonnement électromagnétique à partir de leurs pôles. Lorsque ces étoiles sont orientées d’une certaine manière, ces faisceaux passent devant la Terre, créant un signal pulsé extrêmement régulier, une peu à la manière d’un phare cosmique très (très !) rapide.

Le champ magnétique des pulsars est si puissant qu’il peut polariser le vide quantique. Dès lors, les rayons cosmiques traversant ce vide quantique peuvent être à l’origine d’un rayonnement Tcherenkov dominant les autres types de rayonnement. Crédits : ESO/L. Calçada

Et cette impulsion régulière est utile pour toutes sortes de choses, allant de la sonde du milieu interstellaire à un système de navigation potentiel.

Au cours des dernières années, de nombreux observatoires, dont l’Observatoire Nanohertz nord-américain pour ondes gravitationnelles (NANOGrav), ont commencé à les utiliser pour rechercher des ondes gravitationnelles à basse fréquence, car les ondes gravitationnelles devraient provoquer des perturbations très subtiles dans la synchronisation d’un ensemble de pulsars à travers le ciel. « En utilisant les pulsars que nous observons à travers la galaxie (la Voie lactée), nous essayons d’être comme une araignée assise dans le silence, au milieu de sa toile », a expliqué l’astronome et physicien Stephen Taylor de l’Université Vanderbilt et de la collaboration NANOGrav. « Bien comprendre le barycentre du système solaire est essentiel, tandis que nous essayons de détecter le moindre fourmillement sur la toile », a ajouté Taylor.

En effet, il faut savoir que des erreurs dans le calcul de la position de la Terre, par rapport au barycentre du système solaire, peuvent affecter nos mesures de synchronisation des pulsars, ce qui peut à son tour affecter nos recherches des ondes gravitationnelles à basse fréquence.

Et une partie du problème est Jupiter. Par une très grande marge, il a le plus fort effet gravitationnel sur le Soleil, les effets gravitationnels des autres planètes étant infimes en comparaison. Nous savons combien de temps Jupiter met pour effectuer un tour complet autour du Soleil : environ 12 années terrestres, cependant, notre compréhension de cette orbite reste très incomplète à ce jour.

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L’ombre de la lune Io, projetée sur Jupiter. Crédits : NASA/JPL-Caltech/SwRI/MSSS/Kevin M. Gill

Auparavant, les estimations de l’emplacement du barycentre s’appuyaient sur le suivi Doppler, soit comment la lumière des objets change lorsque nous (ou nos instruments) nous rapprochons ou nous éloignons d’eux, pour calculer les orbites et les masses des planètes. Mais toute erreur dans ces masses et orbites peut induire des erreurs qui pourraient beaucoup ressembler à des ondes gravitationnelles.

Et lorsque l’équipe a utilisé ces ensembles de données existants pour analyser les données NANOGrav, elle a continué d’obtenir des résultats incohérents. « Nous ne détections rien d’important dans nos recherches d’ondes gravitationnelles, entre les modèles du système solaire, mais nous obtenions de grandes différences systématiques dans nos calculs », a déclaré l’astronome Michele Vallisneri du Jet Propulsion Laboratory de la NASA. « En règle générale, plus de données fournissent un résultat plus précis, mais il y a toujours eu un décalage dans nos calculs », a-t-elle ajouté.

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Et c’est là que le logiciel de l’équipe entre en scène : ce dernier se nomme BayesEphem, et il a été spécialement conçu pour modéliser et corriger les incertitudes sur les orbites du système solaire les plus pertinentes pour les recherches d’ondes gravitationnelles utilisant des pulsars, soit Jupiter en particulier.

Lorsque les chercheurs ont appliqué BayesEphem aux données NANOGrav, ils ont pu fixer une nouvelle limite supérieure sur le fond des ondes gravitationnelles et les statistiques de détection. Et ils ont pu calculer un nouvel emplacement plus précis pour le barycentre du système solaire qui, à l’avenir, pourrait permettre des détections d’ondes gravitationnelles à basse fréquence beaucoup plus précises.

« Notre observation précise des pulsars dispersés à travers la galaxie a permis de mieux nous localiser dans le cosmos, comme jamais auparavant », a déclaré Taylor. « En trouvant des ondes gravitationnelles de cette façon, en plus d’autres expériences, nous obtenons une vue d’ensemble plus holistique des différents types de trous noirs dans l’Univers », a ajouté Taylor.

Source : The Astrophysical Journal

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