Détection d'un "signal prometteur" du fond d'ondes gravitationnelles

Publié par Adrien le 31/10/2021 à 09:00
Source: Observatoire de Paris
Une collaboration scientifique européenne impliquant des chercheurs de l'Observatoire de Paris - PSL, du CNRS et de l'Université d'Orléans annonce la détection d'un "signal prometteur" qui pourrait être lié au fond d'ondes gravitationnelles, tel que produit par des couples de trous noirs supermassifs en phase (Le mot phase peut avoir plusieurs significations, il employé dans plusieurs domaines et...) spiralante. L'étude parue en ligne le 27 octobre 2021 dans “Monthly Notices of the Royal Astronomical Society” représente une étape importante dans la recherche (La recherche scientifique désigne en premier lieu l’ensemble des actions entreprises en vue...) des ondes gravitationnelles à l'aide des pulsars.

Les ‶Pulsar Timing Arrays" (PTA) sont des réseaux de pulsars (1), dont la rotation très stable est utilisée comme détecteur (Un détecteur est un dispositif technique (instrument, substance, matière) qui change...) d'ondes gravitationnelles à l'échelle galactique. Les signaux de pulsars sont notamment sensibles aux ondes de très basse fréquence (En physique, la fréquence désigne en général la mesure du nombre de fois qu'un...), dans le régime du milliardième de hertz (Le hertz (symbole : Hz) est l’unité dérivée de fréquence du...).


Vue d'artiste (Est communément appelée artiste toute personne exerçant l'un des métiers ou activités...) de l'expérience EPTA. Observations d'un ensemble (En théorie des ensembles, un ensemble désigne intuitivement une collection...) de pulsars répartis dans la Galaxie (Galaxies est une revue française trimestrielle consacrée à la science-fiction. Avec...). Mesurée sur Terre (La Terre est la troisième planète du Système solaire par ordre de distance...), la variation du temps (Le temps est un concept développé par l'être humain pour appréhender le...) d'arrivée de leurs impulsions radio permet aux astronomes d'étudier de minuscules variations dans l'espace-temps (La notion d'espace-temps a été introduite au début des années 1900 et reprise...). Appelées "ondes gravitationnelles", celles-ci se propagent dans l'Univers (L'Univers est l'ensemble de tout ce qui existe et les lois qui le régissent.), issues d'un lointain passé (Le passé est d'abord un concept lié au temps : il est constitué de l'ensemble...) alors que les galaxies fusionnaient entre elles avec en leur centre des couples de trous noirs supermassifs.
© Michael Kramer/MPIfR

Cette technique permet d'élargir les modes de détection des ondes gravitationnelles actuellement observées aux hautes fréquences (centaines de hertz) par les détecteurs terrestres LIGO/Virgo/Kagra.

Alors que les détecteurs au sol étudient les collisions de courte durée entre des trous noirs de masse (Le terme masse est utilisé pour désigner deux grandeurs attachées à un...) stellaire (Stellaria est un genre de plantes herbacées annuelles ou vivaces, les stellaires, de la...) et des étoiles à neutrons, les PTA permettent d'étudier les ondes gravitationnelles telles que celles émises par des couples de trous noirs supermassifs, lesquels se rapprochent lentement en spiralant au centre des galaxies. La superposition (En mécanique quantique, le principe de superposition stipule qu'un même état quantique peut...) de l'ensemble des signaux émis par la population totale de ces binaires forme ce qu'on appelle un fond d'ondes stochastique.

Dédiée à l'étude des PTA, l'European Pulsar (Un pulsar est le nom donné à une étoile à neutrons, tournant très...) Timing Array (EPTA) est une collaboration européenne réunissant une quarantaine (La quarantaine (venant de l'italien : quaranta giorni, qui signifie 40 jours, ou bien du...) de scientifiques autour (Autour est le nom que la nomenclature aviaire en langue française (mise à jour) donne...) des cinq plus grands radiotélescopes européens:
- En France, le radiotélescope (Un radiotélescope est un télescope spécifique utilisé en radioastronomie pour...) décimétrique de Nançay (2) (Observatoire de Paris (Paris est une ville française, capitale de la France et le chef-lieu de la région...) - PSL / CNRS (Le Centre national de la recherche scientifique, plus connu sous son sigle CNRS, est le plus grand...) / Université (Une université est un établissement d'enseignement supérieur dont l'objectif est la...) d'Orléans)
- En Allemagne, le radiotélescope de 100 m du MPIfR près de Effelsberg,
- Au Royaume-Uni, le télescope (Un télescope, (du grec tele signifiant « loin » et skopein signifiant...) Lovell de 76 m dans le Cheshire,
- En Italie, le radiotélescope de 64 m de Sardaigne (La Sardaigne (en italien : Sardegna et en langue sarde normalisée : Sardigna) est...) à Pranu Sanguni,
- et aux Pays-Bas, les 16 antennes du radiotélescope interférométrique de Westerbork.

Combinés entre eux en mode LEAP (pour "Large European Array for Pulsars"), ces radiotélescopes EPTA forment l'équivalent d'une parabole (La parabole est l'intersection d'un plan avec un cône lorsque le plan est parallèle à l'une des...) de 200 mètres de diamètre (Dans un cercle ou une sphère, le diamètre est un segment de droite passant par le centre...), entièrement orientable, ce qui permet d'améliorer considérablement la sensibilité de l'EPTA à la détection des ondes gravitationnelles.


Les cinq principaux radiotélescopes européens. De gauche en haut à droite en bas: radiotélescope d'Effelsberg (Allemagne), radiotélescope de Nancay (France), radiotélescope de Sardaigne (Italie), radiotélescope de synthèse de Westerbork (Pays-Bas) et télescope Lovell, Royaume-Uni.
© Norbert Tacken/MPIfR (Effelsberg), Letourneur / Observatoire de Paris (L'Observatoire de Paris est né du projet, en 1667, de créer un observatoire astronomique...) - PSL (Nançay), Anthony Holloway (Jodrell Bank), ASTRON (WSRT), Gianni Alvito/INAF (SRT).

"Nous pouvons mesurer de très petites fluctuations dans les temps d'arrivée sur Terre du signal ( Termes généraux Un signal est un message simplifié et généralement codé. Il existe...) radio des pulsars, causées par la déformation de l'espace-temps due au passage d'une onde gravitationnelle (Dans le cadre de la relativité générale les ondes gravitationnelles sont...) de très basse fréquence", explique Siyuan Chen, chercheur (Un chercheur (fem. chercheuse) désigne une personne dont le métier consiste à faire de la...) au Laboratoire de physique (La physique (du grec φυσις, la nature) est étymologiquement la...) et chimie (La chimie est une science de la nature divisée en plusieurs spécialités, à...) de l'environnement (L'environnement est tout ce qui nous entoure. C'est l'ensemble des éléments naturels et...) et de l'Espace (CNES / CNRS / Université d'Orléans) et à la Station de radioastronomie (La radioastronomie est une branche de l'astronomie traitant de l'observation du ciel dans le...) de Nançay (Observatoire de Paris - PSL / CNRS / Université d'Orléans), coauteur principal de l'étude.

En pratique, ces déformations se manifestent comme des sources de bruit (Dans son sens courant, le mot de bruit se rapproche de la signification principale du mot son....) à très basse fréquence dans la série des temps d'arrivée observés des impulsions radio, un bruit qui est partagé par tous les pulsars d'un réseau (Un réseau informatique est un ensemble d'équipements reliés entre eux pour échanger des...) PTA. Cependant, l'amplitude (Dans cette simple équation d’onde :) de ce bruit est extrêmement faible (estimée entre quelques dizaines et quelques centaines de milliardièmes de seconde) et s'il n'était détecté que pour un pulsar particulier, on pourrait l'imputer à de nombreux autres effets possibles.

L'European Pulsar Timing Array a ainsi identifié un "signal prometteur", tel que celui produit par des couples de trous noirs supermassifs en phase spiralante, qui pourrait être lié au fond d'ondes gravitationnelles, recherché depuis longtemps, à très basse fréquence, de l'ordre du milliardième de hertz.

Bien que l'on ne puisse pas encore affirmer qu'il s'agisse à proprement parler d'une détection, l'analyse représente une étape importante dans la recherche des ondes gravitationnelles. Le signal découvert est étayé par une analyse extrêmement détaillée et sans précédent, sur la base de deux méthodologies indépendantes. Pour valider ces résultats, plusieurs codes indépendants avec des méthodes statistiques (La statistique est à la fois une science formelle, une méthode et une technique. Elle...) différentes ont été utilisés, permettant ainsi de caractériser et d'atténuer d'autres sources parasites de bruit et de rechercher le fond d'ondes gravitationnelles proprement dit.

Quelle que soit la procédure employée, l'analyse EPTA, a mis clairement en évidence la présence d'un bruit de fond (Dans son sens courant, le mot de bruit se rapproche de la signification principale du mot son....) dont les propriétés spectrales (c'est-à-dire la façon dont l'amplitude du signal observé varie avec la fréquence) sont dans les limites théoriques attendues pour l'émission d'ondes gravitationnelles par des couples de trous noirs supermassifs.

Ce signal présente de fortes similitudes avec ce qui a été mis à jour (Le jour ou la journée est l'intervalle qui sépare le lever du coucher du Soleil ; c'est la...) au même moment par les travaux d'équipes concurrentes. Le consortium EPTA est en effet membre fondateur de l'International Pulsar Timing Array (IPTA), qui regroupe à l'échelle mondiale les efforts dans cette thématique.

Les analyses de données (Dans les technologies de l'information (TI), une donnée est une description élémentaire, souvent...) indépendantes effectuées par les autres partenaires de l'IPTA (en particulier, les expériences NANOGrav et PPTA) ont également révélé la présence d'un signal commun similaire. "Il est devenu aujourd'hui primordial d'appliquer indépendamment de multiples algorithmes d'analyse et des modèles alternatifs pour augmenter notre confiance dans une éventuelle détection future du fond d'ondes gravitationnelles", précise Gilles Theureau, astronome (Un astronome est un scientifique spécialisé dans l'étude de l'astronomie.) à l'Observatoire de Paris - PSL et membre du comité de pilotage (Le comité de pilotage est un groupe de personnes chargées de veiller au bon fonctionnement d'un...) de l'EPTA.

Les membres de l'IPTA travaillent ensemble, confrontant leurs données et leurs méthodes pour mieux préparer les prochaines étapes et en tirer des conclusions plus solides.

La relativité générale (La relativité générale, fondée sur le principe de covariance générale...) d'Einstein prédit une relation très spécifique entre les déformations de l'espace-temps que subissent les signaux radio en provenance de pulsars situés dans différentes directions du ciel (Le ciel est l'atmosphère de la Terre telle qu'elle est vue depuis le sol de la planète.). Les scientifiques appellent cela la corrélation spatiale du signal, ou courbe (En géométrie, le mot courbe, ou ligne courbe désigne certains sous-ensembles du...) de Hellings et Downs, du nom des deux chercheurs américains qui ont, les premiers, formulé cette propriété en 1983. Sa mise en évidence permettra d'identifier de manière unique le bruit de fond observé comme étant dû à un signal de nature gravitationnelle.

Collaboration

L'équipe PTA française regroupe des chercheurs et doctorants de:
- cinq laboratoires (LPC2E, APC, LUTh, USN, DPhP/IRFU)
- et cinq établissements académiques (Observatoire de Paris - PSL, CNRS, Université d'Orléans, Université de Paris (L’Université de Paris était l’une des plus importantes et des plus...) et CEA).

Elle s'appuie notamment sur l'exploitation du grand radiotélescope décimétrique de Nançay (NRT), infrastructure de recherche nationale, financée par l'Observatoire de Paris - PSL, l'Institut (Un institut est une organisation permanente créée dans un certain but. C'est...) national des sciences de l'Univers du CNRS (INSU) et l'Université d'Orléans.

Le projet (Un projet est un engagement irréversible de résultat incertain, non reproductible a...) est notamment financé par l'ANR "PTA-France" depuis 2019, soutenu régulièrement depuis l'origine par les programmes nationaux Hautes Énergies (PNHE) et Cosmologie (La cosmologie est la branche de l'astrophysique qui étudie l'Univers en tant que système...) et Galaxies (PNCG) du CNRS, et par le Conseil scientifique (Un scientifique est une personne qui se consacre à l'étude d'une science ou des sciences et qui...) de l'Observatoire de Paris.

Bibliographie

L'étude paraît en ligne dans un article intitulé "Common-red-signal analysis with 24-yr high-precision timing of the European Pulsar Timing Array: Inferences in the stochastic gravitational-wave background search" par S. Chen et al, Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, October 27, 2021.DOI: 10.1093/mnras/stab2833

L'équipe française signataire

- Ismaël Cognard, directeur de recherche au CNRS, LPC2E/CNRS
- Lucas Guillemot, Astronome Adjoint à l'Observatoire des Sciences de l'Univers en région Centre (OSUC), LPC2E/CNRS
- Gilles Theureau, Astronome de Observatoire de Paris - PSL, LPC2E/CNRS, USN/OP et LUTh/OP
- Stanislav Babak, directeur de recherche au CNRS, APC/CNRS
- Antoine Petiteau, chercheur CEA-IRFU et APC/CNRS
- Siyuan Chen, chercheur post-doctorant, LPC2E/CNRS et USN/OP
- Aurélien Chalumeau, doctorant (Un doctorant est un chercheur débutant s'engageant, sous la supervision d'un directeur de...) co-direction LPC2E/APC (DIM ACAV+)
- Anaïs Berthereau, doctorante LPC2E/CNRS (ANR PTA-France)
- Mikel Falxa, doctorant APC/CNRS (ANR PTA-France)

Notes

(1) Les pulsars sont des petites étoiles de 20 à 30 km de diamètre, aussi massives que le Soleil (Le Soleil (Sol en latin, Helios ou Ήλιος en grec) est l'étoile...) et en rotation très rapide. Le faisceau de rayonnement (Le rayonnement, synonyme de radiation en physique, désigne le processus d'émission ou de...) issu des pôles magnétiques des pulsars tourne autour de leur axe de rotation et est observé sous forme d'impulsions régulières lorsque celles-ci traversent notre champ (Un champ correspond à une notion d'espace défini:) de vision, comme le faisceau lumineux d'un phare lointain.

(2) L'observation (L’observation est l’action de suivi attentif des phénomènes, sans volonté de les...) des pulsars est depuis maintenant trois décennies l'un des programmes clés du grand radiotélescope décimétrique de la Station de radioastronomie de Nançay (Observatoire de Paris - PSL / CNRS / Université d'Orléans) qui a fourni (Les Foúrnoi Korséon (Grec: Φούρνοι...) 60% des données de l'EPTA utilisées dans cette étude. Avec plus de 2 500 heures (L'heure est une unité de mesure  :) de télescope dédiées chaque année (Une année est une unité de temps exprimant la durée entre deux occurrences d'un évènement lié...) à ce programme de recherche, le grand radiotélescope obtient des observations chronométriques de pulsars parmi les meilleures d'Europe (L’Europe est une région terrestre qui peut être considérée comme un...) (80 pulsars chronométrés à une précision de 1,5 microsecondes ou mieux sur 10 ans) et surtout la plus grande cadence d'observation (L’observation est l’action de suivi attentif des phénomènes, sans volonté de les...) à l'échelle mondiale.
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