Un réseau de pulsars autour de la Terre noyé dans un fond d’ondes gravitationnelles provenant de trous noirs binaires supermassifs. Les signaux des pulsars mesurés par un réseau de radiotélescopes mondiaux sont affectés par les ondes gravitationnelles et permettent d’étudier l’origine de ce fond. Crédit : C. Knox
Les résultats d’une recherche exhaustive d’un fond d’ondes ultra-basses fréquences. ondes gravitationnelles ont été annoncés par une équipe internationale d’astronomes, dont des scientifiques de l’Institut d’astronomie des ondes gravitationnelles de l’Université de Californie du Sud. Université de Birmingham.
Ces ondulations à l’échelle d’une année-lumière, une conséquence de la théorie de la relativité générale d’Einstein, imprègnent l’ensemble de l’espace-temps et pourraient provenir de la fusion des trous noirs les plus massifs de l’Univers ou d’événements survenus peu après la formation de l’Univers, au cours de l’histoire de l’humanité. Big Bang. Les scientifiques recherchent des preuves définitives de ces signaux depuis plusieurs décennies.
L’International Pulsar Timing Array (IPTA), rejoignant le travail de plusieurs collaborations astrophysiques du monde entier, a récemment terminé sa recherche d’ondes gravitationnelles dans leur plus récente publication officielle de données, connue sous le nom de Data Release 2 (DR2).
Cet ensemble de données se compose de données de synchronisation de précision provenant de 65 pulsars millisecondes – des restes d’étoiles qui tournent des centaines de fois par seconde, balayant d’étroits faisceaux d’ondes radio qui apparaissent comme des impulsions en raison de la rotation – obtenues en combinant les ensembles de données indépendants des trois membres fondateurs de l’IPTA : L’European Pulsar Timing Array (EPTA), le North American Nanohertz Observatory for Gravitational Waves (NANOGrav), et le Parkes Pulsar Timing Array en Australie (PPTA).
Ces données combinées révèlent des preuves solides d’un signal à ultra-basse fréquence détecté par de nombreux pulsars dans les données combinées. Les caractéristiques de ce signal commun à tous les pulsars sont en accord avec celles attendues d’un “fond” d’ondes gravitationnelles.
Le fond d’ondes gravitationnelles est formé par de nombreux signaux d’ondes gravitationnelles qui se chevauchent et qui sont émis par la population cosmique de trous noirs binaires supermassifs (c’est-à-dire deux trous noirs supermassifs en orbite l’un autour de l’autre et qui finissent par fusionner) – comme le bruit de fond des nombreuses voix qui se chevauchent dans une salle bondée.
Ce résultat renforce encore l’émergence graduelle de signaux similaires qui ont été trouvés dans les ensembles de données individuels de l’équipe participante. pulsar collaborations de chronométrage au cours des dernières années.
Le professeur Alberto Vecchio, directeur de l’Institut d’astronomie des ondes gravitationnelles de l’Université de Birmingham, et membre de l’EPTA, déclare : ” La détection d’ondes gravitationnelles provenant d’une population d’étoiles massives de l’hémisphère nord a été un succès. trou noir La détection d’ondes gravitationnelles provenant d’une population de binaires de trous noirs massifsou d’une autre source cosmique nous donnera un aperçu sans précédent de la formation et de la croissance des galaxies, ou des processus cosmologiques qui se déroulent dans l’univers naissant. Un effort international majeur de l’ampleur de l’IPTA est nécessaire pour atteindre cet objectif, et les prochaines années pourraient nous apporter un âge d’or pour ces explorations de l’univers.”
“C’est un signal très excitant ! Bien que nous n’ayons pas encore de preuve définitive, nous commençons peut-être à détecter un fond d’ondes gravitationnelles”, déclare le Dr Siyuan Chen, membre de l’EPTA et de NANOGrav, et responsable de la recherche et de la publication de l’IPTA DR2.
Le Dr Boris Goncharov, de l’EPTA, met en garde contre les interprétations possibles de ces signaux communs : “Nous cherchons également à savoir ce que ce signal pourrait être d’autre. Par exemple, il pourrait peut-être résulter d’un bruit présent dans les données des pulsars individuels qui auraient pu être modélisés de manière incorrecte dans nos analyses.”
Pour identifier le fond d’ondes gravitationnelles comme étant l’origine de ce signal à très basse fréquence, l’IPTA doit également détecter des corrélations spatiales entre les pulsars. Cela signifie que chaque paire de pulsars doit répondre d’une manière très particulière aux ondes gravitationnelles, en fonction de leur séparation sur le ciel.
Ces corrélations de signature entre les paires de pulsars constituent la “preuve irréfutable” de la détection d’un fond d’ondes gravitationnelles. Sans elles, il est difficile de prouver qu’un autre processus n’est pas responsable du signal. Il est intriguant de constater que la première indication d’un fond d’ondes gravitationnelles serait un signal commun comme celui observé dans l’IPTA DR2. La question de savoir si ce signal ultra-basse fréquence spectralement similaire est corrélé entre les pulsars, conformément aux prédictions théoriques, sera résolue par la collecte de nouvelles données,des réseaux étendus de pulsars surveillés, et des recherches continues sur les ensembles de données plus longs et plus importants qui en résultent.
Des signaux cohérents comme celui retrouvé avec l’analyse IPTA ont également été publiés dans des ensembles de données individuels plus récents que ceux utilisés dans l’IPTA DR2, provenant de chacune des trois collaborations fondatrices. L’analyse IPTA DR2 démontre la puissance de la combinaison internationale, qui fournit des preuves solides d’un fond d’ondes gravitationnelles par rapport aux preuves marginales ou absentes des ensembles de données constitutifs. De plus, de nouvelles données provenant du télescope MeerKAT et de l’Indian Pulsar Timing Array (InPTA), le plus récent membre de l’IPTA, viendront enrichir les futurs ensembles de données.
“Le premier indice d’un fond d’ondes gravitationnelles serait un signal comme celui observé dans le DR2 de l’IPTA. Ensuite, avec plus de données, le signal deviendra plus significatif et montrera des corrélations spatiales, à ce moment-là nous saurons qu’il s’agit d’un fond d’ondes gravitationnelles. Nous sommes très impatients de fournir pour la première fois plusieurs années de nouvelles données à l’IPTA, afin de contribuer à la détection du bruit de fond des ondes gravitationnelles”, déclare le Dr Bhal Chandra Joshi, membre de l’InPTA.
Compte tenu des derniers résultats publiés par les différents groupes qui peuvent maintenant tous clairement récupérer le signal commun, l’IPTA est optimiste quant à ce qui peut être réalisé une fois que ces résultats seront combinés dans la version 3 des données IPTA. Les travaux sont déjà en cours sur cette nouvelle version de données, qui comprendra au minimum des ensembles de données actualisés provenant des quatre PTA constitutives de l’IPTA. L’analyse de l’ensemble de données DR3 devrait se terminer dans les prochaines années.
Le Dr Maura McLaughlin de la collaboration NANOGrav déclare : “Si le signal que nous voyons actuellement est le premier indice d’un fond d’ondes gravitationnelles, alors, sur la base de nos simulations, il est possible que nous disposions de mesures plus précises des corrélations spatiales nécessaires pour identifier de manière concluante l’origine du signal commun dans un avenir proche.”
Référence : “The International Pulsar Timing Array second data release : Search for an isotropic Gravitational Wave Background” par J Antoniadis, Z Arzoumanian, S Babak, M Bailes, A-S Bak Nielsen, P T Baker, C G Bassa, B Bécsy, A Berthereau, M Bonetti, A Brazier, P R Brook, M Burgay, S Burke-Spolaor, R N Caballero, J A Casey-Clyde, A Chalumeau, D J Champion, M Charisi, S Chatterjee, S Chen, I Cognard, J M Cordes, N J Cornish, F Crawford, H T Cromartie, K Crowter, S Dai, M E DeCesar, P B Demorest, G Desvignes, T Dolch, B Drachler, M Falxa, E C Ferrara, W Fiore, E Fonseca, J R Gair, N Garver-Daniels, B Goncharov, D C Good, E Graikou, L Guillemot, Y J Guo, J S Hazboun, G Hobbs, H Hu, K Islo, G H Janssen, R J Jennings, A D Johnson, M L Jones, A R Kaiser, D L Kaplan, R Karuppusamy, M J Keith, L Z Kelley, M Kerr, J S Key, M Kramer, M T Lam, W G Lamb, T J W Lazio, K J Lee, L Lentati, K Liu, J Luo, R S Lynch, A G Lyne, D R Madison, R A Main, R N Manchester, A McEwen, J W McKee, M A McLaughlin, M B Mickaliger, C M F Mingarelli, C Ng, D J Nice, S Osłowski, A Parthasarathy, T T Pennucci, B B Pera, D Perrodin, A Petiteau, N S Pol, N K Porayko, A Possenti, S M Ransom, P S Ray, D J Reardon, C J Russell, A Samajdar, L M Sampson, S Sanidas, J M Sarkissian, K Schmitz, L Schult, A Sesana, G Shaifullah, R M Shannon, B J Shapiro-Albert, X Siemens, J Simon, T L Smith, L Speri, R Spiewak, I H Stairs, B W Stappers, D R Stinebring, J K Swiggum, S R Taylor, G Theureau, C Tiburzi, M Vallisneri, E Wateren, A Vecchio, J P W Verbiest, S J Vigeland, H Wahl, J B Wang, J Wang, L Wang, C A Witt, S Zhang, X J Zhu, 12 janvier 2022, Notices mensuelles de la Société royale d’astronomie.
DOI : 10.1093/mnras/stab3418