Recherche d’ondes gravitationnelles continues insaisissables provenant des objets les plus denses de l’Univers

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Continuous Gravitational Waves
Ondes gravitationnelles continues

Impression d’artiste des ondes gravitationnelles continues générées par une étoile à neutrons asymétrique en rotation. Crédit : Mark Myers, Université Ozgrav-Swinburne.

  • Une nouvelle étude internationale, dirigée par un chercheur australien du Centre d’excellence ARC pour la découverte des ondes gravitationnelles, a recherché des ondes gravitationnelles continues insaisissables. ondes gravitationnelles à partir des objets les plus denses de l’Univers – les étoiles à neutrons.
  • La détection d’une onde gravitationnelle continue permettrait aux scientifiques de pénétrer dans le cœur de ces étoiles à neutrons, qui sont des noyaux extrêmement denses et effondrés d’étoiles supergéantes massives.
  • La recherche d’ondes gravitationnelles continues est l’un des principaux défis de la science des ondes gravitationnelles, mais l’Australie possède une solide expérience dans ce domaine de recherche.

Prenez une étoile de taille similaire à celle du Soleil, réduisez-la en une boule d’une vingtaine de kilomètres de diamètre et vous obtiendrez une onde gravitationnelle. étoile à neutronsl’objet le plus dense de l’Univers connu. Maintenant, faites tourner votre étoile à neutrons à des centaines de tours par seconde et écoutez attentivement. Si votre étoile à neutrons n’est pas parfaitement sphérique, elle vacillera un peu, ce qui lui permettra d’envoyer continuellement de légères ondulations dans le tissu de l’espace et du temps. Ces ondulations sont appelées ondes gravitationnelles continues.

Jusqu’à présent, ces ondes gravitationnelles continues insaisissables n’ont pas été détectées ; cependant, dans une étude récente, une collaboration internationale de scientifiques, dirigée par le chercheur australien d’OzGrav Julian Carlin (de l’Université de Melbourne), les a recherchées dans une catégorie spécifique d’étoiles à neutrons : les pulsars à rayons X millisecondes (AMXP) en accrétion.

Pour décomposer, les AMXP sont :

  • Pulsars – Les phares de l’Univers ; ce sont des noyaux effondrés extrêmement denses d’étoiles supergéantes massives (appelées étoiles à neutrons) qui émettent des ondes radio, comme un phare. En tant que pulsar tourne, nous pouvons voir une impulsion dans les radiotélescopes chaque fois que le faisceau pointe vers la Terre.
  • Les pulsars à accrétion – ils ont une étoile compagnon et cela s’appelle un système d’étoiles binaires. Le pulsar accréteur se nourrit de son étoile compagnon, aspirant la matière de l’étoile et l’accumulant à sa surface.
  • Les pulsars à rayons X – ils émettent des impulsions de rayons X. Les AMXP ont des périodes de “sursaut” où les impulsions de rayons X sont observables et des périodes de “quiescence” où les impulsions de rayons X ne sont pas émises ou sont trop faibles pour être vues.
  • Les pulsars millisecondes – ils tournent très vite (une milliseconde est un millième de seconde). Le pulsar AMXP qui tourne le plus vite ne met que 1,7 milliseconde pour effectuer une rotation complète. Cela signifie que si vous vous teniez à la surface, vous seriez ballotté à 15% de la vitesse de la lumière (soit environ 45 000 km/s) !

Comme les AMXP accumulent de la matière provenant de leur étoile compagnon, elles sont susceptibles d’envoyer des signaux plus forts qu’une étoile à neutrons solitaire. En effet, la force du signal d’une étoile à neutrons est proportionnelle à son asymétrie. Les astronomes pensent que cette accumulation de matière sur les AMXP pourrait créer de petites montagnes à la surface, car la matière est canalisée par le champ magnétique vers les pôles magnétiques. Ceci est illustré par l’impression d’artiste montrée en haut de la page.

Cette recherche utilise les données du troisième cycle d’observation de LIGO, Virgo et KAGRA qui a duré d’avril 2019 à mars 2020. L’équipe a recherché des ondes gravitationnelles continues à partir de 20 AMXP – dont 14 n’avaient pas été recherchées auparavant.

La méthode de recherche utilisée dans ces travaux est le fruit d’une collaboration entre des physiciens et des ingénieurs de l’Université de Melbourne. “Les méthodes que nous utilisons pour rechercher des ondes gravitationnelles continues provenant d’étoiles à neutrons en rotation sont similaires à celles utilisées dans les logiciels de reconnaissance vocale”, a déclaré Hannah Middleton (postdoc OzGrav à l’Université de Melbourne et à l’Université Swinburne).

Malheureusement, les ondes gravitationnelles continues n’ont pas été détectées de manière convaincante cette fois-ci. Cependant, comme la technologie des détecteurs et les algorithmes d’analyse des données continuent de s’améliorer, il est possible qu’une détection soit faite lors de la prochaine campagne d’observation.

Julian Carlin a déclaré : “Il se peut que les faibles candidats que nous avons repérés ici soient les premiers signes d’un véritable signal, et nous avons juste besoin d’un peu plus de données pour le sortir du bruit.”

“Si une détection était faite, elle nous permettrait de scruter le cœur des étoiles à neutrons – nous apprenant comment la matière se comporte dans des environnements extrêmement denses”, poursuit-il. “Détecter le bruit continuLes ondes gravitationnelles des étoiles à neutrons nous permettraient de mieux comprendre le fonctionnement de ces fantastiques horloges astronomiques.”

“La chasse aux ondes gravitationnelles continues est l’un des principaux défis de la science des ondes gravitationnelles”, a déclaré Andrew Melatos, chercheur en chef d’OzGrav, dont le groupe de recherche à l’Université de Melbourne poursuit ces minuscules signaux depuis plus d’une décennie. “Les pulsars sont l’un des cadeaux les plus généreux de la nature. Leurs signaux radio ont révolutionné l’astronomie, jetant une lumière nouvelle sur tout, du gaz entre les étoiles à la théorie de la gravité d’Einstein, en passant par les champs magnétiques les plus puissants de l’Univers. Qui sait quelles surprises révéleront les murmures de leurs ondes gravitationnelles ?”

Le Dr Karl Wette, chargé de recherche OzGrav à l’Institut de recherche de l’Université du Québec à Montréal (UQAM). Université nationale australienne et co-président du groupe de travail sur les ondes continues de LIGO, a déclaré : “Les ondes gravitationnelles deviennent un outil essentiel pour la physique fondamentale et l’astronomie. Nous avons maintenant entendu les échos de près de 100 paires de trous noirs et d’étoiles à neutrons qui s’entrechoquent. Nous restons à l’écoute du sol et espérons détecter le ronronnement révélateur d’une étoile à neutrons en rotation rapide dans les années à venir. L’Australie a de solides antécédents dans ce domaine de recherche, et il est particulièrement agréable de voir les étudiants et les jeunes chercheurs australiens apporter d’importantes contributions.”
“Grâce à l’amélioration des détecteurs lors du quatrième cycle d’observation, le nombre de détections devrait être multiplié par plusieurs”, a déclaré Chayan Chatterjee, doctorant d’OzGrav à l’Université d’Australie occidentale. “Il sera donc extrêmement excitant de guetter d’autres candidats continus aux ondes gravitationnelles ainsi que d’autres découvertes révolutionnaires !”.

Référence : “Search for continuous gravitational waves from 20 accreting millisecond x-ray pulsars in O3 LIGO data” par R. Abbott et al. (LIGO Scientific Collaboration, Virgo Collaboration, and KAGRA Collaboration), 19 janvier 2022, Physical Review D.
DOI: 10.1103/PhysRevD.105.022002

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