La chasse au fond des ondes gravitationnelles : FERMI de la NASA recherche des ondulations dans l’espace-temps.

Télescope de grande surface de Fermi

En orbite à 500 km au-dessus de la terre, le Fermi Large Area Telescope collecte les rayons gamma des pulsars millisecondes. Lorsque ces photons de haute énergie traversent la Voie lactée, ils rencontrent une mer d’ondes gravitationnelles de basse fréquence produites par des paires de trous noirs supermassifs fusionnant au centre de galaxies fusionnées. Les ondulations de l’espace-temps, dont les longueurs d’onde dépassent les 100 billions de kilomètres, font que chaque photon arrive légèrement plus tôt ou légèrement plus tard que prévu. La surveillance des rayons gamma provenant de plusieurs de ces pulsars millisecondes – une expérience connue sous le nom de réseau de synchronisation des pulsars – peut révéler cette signature révélatrice. Jusqu’à présent, les réseaux de synchronisation des pulsars n’utilisaient que des radiotélescopes sensibles. Aujourd’hui, les données de Fermi permettent de mettre en place un réseau de synchronisation des pulsars basé sur les rayons gamma et d’obtenir une nouvelle vision claire de ces ondes gravitationnelles. Crédit : Daniëlle Futselaar/MPIfR (artsource.nl)

Le satellite FERMI de la NASA recherche des signaux d’ondes gravitationnelles d’une longueur d’onde extrêmement longue.

Les trous noirs supermassifs coalescents au centre des galaxies en fusion remplissent l’univers de signaux à basse fréquence. ondes gravitationnelles. Les astronomes ont recherché ces ondes en utilisant de grands radiotélescopes pour observer l’effet subtil de ces ondulations de l’espace-temps sur les ondes radio émises par les pulsars de notre galaxie. Aujourd’hui, une équipe internationale de scientifiques a montré que la lumière à haute énergie recueillie par les pulsars de notre galaxie est un élément important de la recherche. NASALe télescope spatial Fermi à rayons gamma de la NASApeut également être utilisé dans cette recherche. En utilisant les rayons gamma au lieu des ondes radio, on obtient une vue plus claire des pulsars et on dispose d’une méthode indépendante et complémentaire pour détecter les ondes gravitationnelles.

Les conclusions d’une équipe internationale de scientifiques, dont Aditya Parthasarathy et Michael Kramer de l’Institut Max Planck de radioastronomie de Bonn, en Allemagne, ont récemment été publiées dans le journal “Max Planck”. Science.

Spectre d'ondes gravitationnelles

La longueur d’une onde gravitationnelle, ou ondulation de l’espace-temps, dépend de sa source, comme le montre cette infographie. Les scientifiques ont besoin de différents types de détecteurs pour étudier la plus grande partie possible du spectre. Crédits : Laboratoire d’images conceptuelles du Goddard Space Flight Center de la NASA

Une mer d’ondes gravitationnelles

Au cœur de la plupart des galaxies, des collections de centaines de milliards d’étoiles comme la nôtre. Voie lactée-se trouve une galaxie supermassive trou noir. Les galaxies sont attirées les unes vers les autres par leur immense gravitation, et lorsqu’elles fusionnent, leurs trous noirs s’enfoncent dans le nouveau centre. Lorsque les trous noirs s’enroulent en spirale vers l’intérieur et fusionnent, ils créent de longues ondes gravitationnelles qui s’étendent sur des centaines de trillions de kilomètres entre les crêtes des ondes. L’univers est rempli de tels trous noirs supermassifs en fusion, et ils le remplissent d’une mer d’ondes spatiales de basse fréquence.

Les astronomes recherchent ces ondes depuis des décennies en observant les pulsations des pulsars, les restes denses d’étoiles massives. Les pulsars tournent avec une extrême régularité et les astronomes savent exactement quand attendre chaque impulsion. La mer d’ondes gravitationnelles, cependant, modifie subtilement le moment où les impulsions arrivent sur la terre, et le suivi précis de nombreux pulsars dans le ciel peut révéler sa présence.


Cette visualisation montre les ondes gravitationnelles émises par deux trous noirs (sphères noires) de masse presque égale lorsqu’ils se rapprochent en spirale et fusionnent. Les structures jaunes près des trous noirs illustrent la forte courbure de l’espace-temps dans la région. Les ondulations orange représentent les distorsions de l’espace-temps causées par les masses en orbite rapide. Ces distorsions s’étendent et s’affaiblissent, pour finalement devenir des ondes gravitationnelles (en violet). L’échelle de temps de la fusion dépend de la masse des trous noirs. Pour un système contenant des trous noirs d’environ 30 fois la masse du soleil, semblable à celui détecté par LIGO en 2015, la période orbitale au début du film est de seulement 65 millisecondes, les trous noirs se déplaçant à environ 15 % de la vitesse de la lumière. Les distorsions spatio-temporelles rayonnent l’énergie orbitale et provoquent une contraction rapide du binaire. Lorsque les deux trous noirs se rapprochent l’un de l’autre, ils fusionnent en un seul trou noir qui entre dans sa phase de “ringdown”, où les dernières ondes gravitationnelles sont émises. Pour la détection LIGO de 2015, ces événements se sont déroulés en un peu plus d’un quart de seconde. Cette simulation a été réalisée sur le superordinateur Pléiades du centre de recherche Ames de la NASA. Crédit : NASA/Bernard J. Kelly (Goddard et Univ. du Maryland Baltimore County), Chris Henze (Ames)et Tim Sandstrom (CSC Government Solutions LLC)

Les précédentes recherches de ces ondes ont exclusivement utilisé de grands radiotélescopes, qui collectent et analysent les ondes radio. Mais maintenant, une équipe internationale de scientifiques a recherché ces infimes variations dans plus de dix ans de données recueillies par le télescope spatial Fermi à rayons gamma de la NASA, et leur analyse montre que la détection de ces ondes pourrait être possible avec seulement quelques années d’observations supplémentaires.

“Fermi étudie l’univers en rayons gamma, la forme la plus énergétique de la lumière. Nous avons été surpris par sa capacité à trouver les types de pulsars dont nous avons besoin pour rechercher ces ondes gravitationnelles – plus de 100 jusqu’à présent”, a déclaré Matthew Kerr, physicien chercheur au Laboratoire de recherche navale des États-Unis à Washington. “Les rayons de Fermi et les rayons gamma ont des caractéristiques particulières qui, ensemble, en font un outil très puissant dans cette enquête.”

Les résultats de l’étude, codirigée par Kerr et Aditya Parthasarathy, chercheur à l’Institut Max Planck de radioastronomie (MPIfR) à Bonn, en Allemagne, ont été publiés dans le numéro du 07 avril de Science.

Horloges cosmiques

La lumière prend de nombreuses formes. Les ondes radio de basse fréquence peuvent traverser certains objets, tandis que les rayons gamma de haute fréquence explosent en pluies de particules énergétiques lorsqu’ils rencontrent de la matière. Les ondes gravitationnelles couvrent également un large spectre, et les objets plus massifs ont tendance à générer des ondes plus longues.

Il est impossible de construire un détecteur suffisamment grand pour détecter les ondes de plusieurs trillions de kilomètres générées par la fusion de trous noirs supermassifs, c’est pourquoi les astronomes utilisent des détecteurs naturels appelés pulsar réseaux de synchronisation. Il s’agit de collections de pulsars millisecondes qui émettent à la fois des ondes radio et des rayons gamma et qui tournent des centaines de fois par seconde. Tels des phares, ces faisceaux de rayonnement semblent émettre des impulsions régulières lorsqu’ils balaient la terre, et lorsqu’ils traversent la mer d’ondes gravitationnelles, ils sont empreints du faible grondement des trous noirs massifs et lointains.

Une sonde unique

Les pulsars ont été découverts à l’origine à l’aide de radiotélescopes, et des expériences de réseau de synchronisation des pulsars avec des radiotélescopes sont en cours depuis près de deux décennies. Ces grandes antennes offrent la plus grande sensibilité aux effets des ondes gravitationnelles, mais les effets interstellaires compliquent l’analyse des données radio. L’espace est en grande partie vide, mais en traversant la vaste distance qui sépare un pulsar de la Terre, les ondes radio rencontrent encore de nombreux électrons. De la même manière qu’un prisme déforme la lumière visible, les électrons interstellaires déforment les ondes radio et modifient leur temps d’arrivée. Les rayons gamma énergétiques ne sont pas affectés de cette manière, ils constituent donc une méthode complémentaire et indépendante de chronométrage des pulsars.

“Les résultats de Fermi sont déjà 30 % aussi bons que ceux des réseaux de synchronisation des pulsars radio lorsqu’il s’agit de détecter potentiellement le fond d’ondes gravitationnelles”, a déclaré Parthasarathy. “Avec cinq années supplémentaires de collecte et d’analyse des données des pulsars, il sera tout aussi capable, avec en prime le fait de ne pas avoir à se soucier de tous ces électrons parasites.”

Un réseau de chronométrage des pulsars gamma, qui n’avait pas été envisagé avant le lancement de Fermi, représente une nouvelle capacité puissante en astrophysique des ondes gravitationnelles.

“Détecter le fond d’ondes gravitationnelles avec des pulsars est à portée de main mais reste difficile. Une méthode indépendante, montrée ici de manière inattendue grâce à Fermi, est une excellente nouvelle, à la fois pour confirmer les résultats futurs et pour démontrer ses synergies avec les expériences radio”, conclut Michael Kramer, directeur au MPIfR et chef de son département de recherche en physique fondamentale en radioastronomie.

Pour en savoir plus sur cette étude, voir NASA’s Fermi Space Telescope Hunts for Gravitational Waves From Monster Black Holes.

Référence : “A gamma-ray pulsar timing array constrains the nanohertz gravitational wave background” par The Fermi-LAT Collaboration, 7 avril 2022, Science.
DOI : 10.1126/science.abm3231

Le télescope spatial à rayons gamma Fermi est un partenariat d’astrophysique et de physique des particules géré par le Goddard Space Flight Center de la NASA à Greenbelt, Maryland. Fermi a été développé en collaboration avec le Département de l’énergie des États-Unis, avec d’importantes contributions d’institutions universitaires et de partenaires en France, en Allemagne, en Italie, au Japon, en Suède et aux États-Unis.

La collaboration FERMI-LAT comprend une équipe internationale de scientifiques dont Aditya Parthasarathy et Michael Kramer, tous deux de l’Institut Max Planck de radioastronomie.

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