L’univers est rempli d’ondes gravitationnelles. Nous le savons grâce au North American Nanohertz Observatory for Gravitational Waves (NANOGrav), qui a récemment annoncé les premières observations d’ondes gravitationnelles à grande longueur d’onde ondulant dans la Voie lactée. Les ondes sont probablement causées par les fusions de trous noirs supermassifs, mais pouvons-nous le prouver ?
La plupart des ondes gravitationnelles que nous avons observées jusqu’à présent provenaient de fusions de trous noirs de masse stellaire. Ces fusions créent des gazouillis gravitationnels à courte longueur d’onde que des observatoires tels que LIGO et Virgo peuvent détecter. Compte tenu de l’échelle des trous noirs supermassifs, les ondes gravitationnelles qu’ils génèrent ont des longueurs d’onde de l’ordre des années-lumière. Leurs longueurs d’onde sont bien trop longues et leurs fréquences bien trop basses pour les observatoires conventionnels.
NANOGrav a donc adopté une approche différente en utilisant des pulsars. Les pulsars sont des étoiles à neutrons en rotation rapide avec des impulsions radio très régulières, comme une horloge cosmique. NANOGrav a observé les impulsions de 67 pulsars pendant 15 ans, à la recherche de petits changements dans leurs synchronisations d’impulsions. Ils ont trouvé un décalage dans les timings compatible avec les ondes gravitationnelles à basse fréquence, qui vacillent très légèrement les pulsars.
C’est une découverte incroyable. Mais les auteurs des articles NANOGrav veillent à ne pas trop présumer. Bien qu’ils notent que les trous noirs supermassifs (SMBH) en sont la source probable, l’équipe ne prétend pas que cela soit prouvé. C’est là qu’un nouveau papier entre en jeu.
Les auteurs sont d’accord avec l’idée que ces ondes gravitationnelles de fond sont probablement causées par des trous noirs supermassifs, mais examinent deux types différents. Le premier est le type habituel que nous connaissons. Les trous noirs supermassifs trouvés au centre de la plupart des galaxies. Lorsque deux galaxies entrent en collision, leurs trous noirs peuvent entrer sur une orbite mutuelle proche, se terminant finalement par leur fusion. Le deuxième type, qui intéresse le plus les auteurs, est celui des trous noirs primordiaux.
Les trous noirs primordiaux sont des trous noirs hypothétiques qui se sont formés dans les premiers instants de l’univers. On pense généralement qu’ils sont minuscules, avec des masses à peu près équivalentes à celles d’un astéroïde. Mais certains modèles plaident pour des trous noirs primordiaux supermassifs. Celles-ci auraient formé les graines des premières galaxies, leur permettant de se former rapidement, comme le suggèrent certaines observations du JWST.
Comme le note l’article, le signal statistique des SMBH classiques et des SMBH primordiaux est différent, tout comme la force prédite des ondes gravitationnelles. Les auteurs constatent que si nous supposons que les trous noirs primordiaux étaient uniformément répartis dans l’univers primitif, alors les ondes gravitationnelles observées sont trop fortes pour être causées par des fusions de trous noirs primordiaux. Si, cependant, les trous noirs primordiaux étaient regroupés, alors ils pourraient être la source des ondes observées. Dans le même temps, les trous noirs supermassifs standard devraient être environ 10 fois plus fréquents que nous ne le pensions pour tenir compte de la force de ces ondes gravitationnelles. Les résultats ne sont donc pas concluants.
Le résultat de NANOGrav n’est que la première observation d’ondes gravitationnelles cosmiques. Avec plus de données, les astronomes pourront faire la distinction entre les deux sources. C’est juste une question de temps.
Référence: Agazie, Gabriella, et al. “L’ensemble de données NANOGrav de 15 ans : Preuve d’un fond d’ondes gravitationnelles.” Les lettres du journal astrophysique 951.1 (2023) : L8.
Référence: Depta, Paul Frederik, Kai Schmidt-Hoberg et Carlo Tasillo. “Les réseaux de synchronisation des pulsars observent-ils la fusion des trous noirs primordiaux ?” prépublication arXiv arXiv:2306.17836 (2023).
