sciences energies environnelent :les ondes gravitationnelles du cosmos

 

Clamor of gravitational waves from universe's merging supermassive black holes 'heard' for first time

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La clameur des ondes gravitationnelles des trous noirs supermassifs fusionnés de l'univers "entendue" pour la première fois

par la Fondation Simons

PHOTO/Dans l'interprétation de cet artiste, une paire de trous noirs supermassifs (en haut à gauche) émet des ondes gravitationnelles qui ondulent à travers le tissu de l'espace-temps. Ces ondes gravitationnelles compriment et étirent les trajets des ondes radio émises par les pulsars (blanc). En mesurant soigneusement les ondes radio, une équipe de scientifiques a récemment fait la première détection du fond d'ondes gravitationnelles de l'univers. Crédit : Aurore Simonnet pour la Collaboration NANOGrav

Après 15 ans de collecte de données dans le cadre d'une expérience de la taille d'une galaxie, les scientifiques ont "entendu" le chœur perpétuel des ondes gravitationnelles ondulant dans notre univers pour la première fois - et c'est plus fort que prévu.

La découverte révolutionnaire a été faite par des scientifiques du North American Nanohertz Observatory for Gravitational Waves (NANOGrav) qui ont observé de près des étoiles appelées pulsars qui agissent comme des métronomes célestes. Les ondes gravitationnelles nouvellement détectées - des ondulations dans le tissu de l'espace-temps - sont de loin les plus puissantes jamais mesurées : elles transportent environ un million de fois plus d'énergie que les rafales uniques d'ondes gravitationnelles provenant des fusions de trous noirs et d'étoiles à neutrons détectées par des expériences telles que LIGO et Virgo.

La plupart des ondes gravitationnelles gigantesques sont probablement produites par des paires de trous noirs supermassifs en spirale vers des collisions cataclysmiques dans tout le cosmos, rapportent les scientifiques de NANOGrav dans une série de nouveaux articles parus aujourd'hui dans The Astrophysical Journal Letters.

"C'est comme un chœur, avec toutes ces paires de trous noirs supermassifs qui résonnent à différentes fréquences", explique Chiara Mingarelli, scientifique de NANOGrav, qui a travaillé sur les nouvelles découvertes alors qu'elle était chercheuse associée au Centre d'astrophysique computationnelle (CCA) du Flatiron Institute à New York. "C'est la toute première preuve du fond des ondes gravitationnelles. Nous avons ouvert une nouvelle fenêtre d'observation sur l'univers."

Crédit : Fondation nationale des sciences

L'existence et la composition du fond des ondes gravitationnelles - longtemps théorisées mais jamais entendues auparavant - présentent un trésor de nouvelles perspectives sur des questions de longue date, du sort des paires de trous noirs supermassifs à la fréquence des fusions de galaxies.

Pour l'instant, NANOGrav ne peut mesurer que le fond global des ondes gravitationnelles plutôt que le rayonnement des "chanteurs" individuels. Mais même cela a apporté des surprises.

"Le bruit de fond des ondes gravitationnelles est environ deux fois plus fort que ce à quoi je m'attendais", déclare Mingarelli, aujourd'hui professeur adjoint à l'université de Yale. "C'est vraiment à l'extrémité supérieure de ce que nos modèles peuvent créer à partir de trous noirs supermassifs."

Le volume assourdissant peut résulter de limitations expérimentales ou de trous noirs supermassifs plus lourds et plus abondants. Mais il y a aussi la possibilité que quelque chose d'autre génère de puissantes ondes gravitationnelles, dit Mingarelli, comme des mécanismes prédits par la théorie des cordes ou des explications alternatives de la naissance de l'univers. "La suite est tout", dit-elle. "Ce n'est que le début."

Une expérience à l'échelle de la galaxie

Arriver à ce point a été un défi de plusieurs années pour l'équipe NANOGrav. Les ondes gravitationnelles qu'ils ont chassées sont différentes de tout ce qui a été mesuré auparavant. Contrairement aux ondes à haute fréquence détectées par des instruments terrestres tels que LIGO et Virgo, le fond des ondes gravitationnelles est constitué d'ondes à ultra-basse fréquence. Une seule montée et descente de l'une des vagues pourrait prendre des années, voire des décennies, à passer. Étant donné que les ondes gravitationnelles se déplacent à la vitesse de la lumière, une seule longueur d'onde peut mesurer des dizaines d'années-lumière.

Représentation artistique des ondes gravitationnelles d'une paire de trous noirs en orbite proche (visibles à gauche au loin). Les ondes passent par plusieurs pulsars et la Terre (à droite). Crédit : Keyi "Onyx" Li/États-Unis Fondation nationale de la science

Aucune expérience sur Terre n'a jamais pu détecter des ondes aussi colossales, alors l'équipe de NANOGrav s'est plutôt tournée vers les étoiles. Ils ont observé de près les pulsars, les restes ultra-denses d'étoiles massives devenues supernova. Les pulsars agissent comme des phares stellaires, projetant des faisceaux d'ondes radio depuis leurs pôles magnétiques. Alors que les pulsars tournent rapidement (parfois des centaines de fois par seconde), ces faisceaux balayent le ciel, apparaissant de notre point de vue sur Terre comme des impulsions rythmiques d'ondes radio.

Les impulsions arrivent sur Terre comme un métronome parfaitement synchronisé. Le moment est si précis que lorsque Jocelyn Bell a mesuré les premières ondes radio du pulsar en 1967, les astronomes ont pensé qu'il pourrait s'agir de signaux provenant d'une civilisation extraterrestre.

Lorsqu'une onde gravitationnelle passe entre nous et un pulsar, elle perturbe la synchronisation de ces ondes radio. En effet, comme l'avait prédit Albert Einstein, les ondes gravitationnelles étirent et compriment l'espace lorsqu'elles ondulent à travers le cosmos, modifiant la distance parcourue par les ondes radio.

Le Very Large Array au Nouveau-Mexique a recueilli des données qui ont contribué à la détection du fond d'ondes gravitationnelles de l'univers. Crédit : NRAO/AUI/NSF

Pendant 15 ans, les scientifiques de NANOGrav des États-Unis et du Canada ont chronométré de près les impulsions d'ondes radio de dizaines de pulsars millisecondes dans notre galaxie à l'aide de l'observatoire d'Arecibo à Porto Rico, du télescope Green Bank en Virginie-Occidentale et du Very Large Array au Nouveau-Mexique. Les nouvelles découvertes sont le résultat d'une analyse détaillée d'un réseau de 67 pulsars.

"Les pulsars sont en fait des sources radio très faibles, nous avons donc besoin de milliers d'heures par an sur les plus grands télescopes du monde pour mener à bien cette expérience", explique Maura McLaughlin de l'Université de Virginie-Occidentale, codirectrice du NANOGrav Physics Frontiers Center. "Ces résultats sont rendus possibles grâce à l'engagement continu de la National Science Foundation (NSF) envers ces observatoires radio exceptionnellement sensibles."

Détecter l'arrière-plan

En 2020, avec un peu plus de 12 ans de données, les scientifiques de NANOGrav ont commencé à voir des indices d'un signal, un "bourdonnement" supplémentaire commun au comportement temporel de tous les pulsars du réseau. Maintenant, trois ans d'observations supplémentaires plus tard, ils ont accumulé des preuves concrètes de l'existence du fond d'ondes gravitationnelles.

"Maintenant que nous avons des preuves d'ondes gravitationnelles, la prochaine étape consiste à utiliser nos observations pour étudier les sources produisant ce bourdonnement", déclare Sarah Vigeland de l'Université du Wisconsin-Milwaukee, présidente du groupe de travail sur la détection NANOGrav.

Les sources les plus probables du fond des ondes gravitationnelles sont des paires de trous noirs supermassifs pris dans une spirale mortelle. Ces trous noirs sont vraiment colossaux, contenant des milliards de soleils  en masse. Presque toutes les galaxies, y compris notre propre Voie lactée, ont au moins un des mastodontes en leur cœur. Lorsque deux galaxies fusionnent, leurs trous noirs supermassifs peuvent se rencontrer et commencer à orbiter l'un autour de l'autre. Au fil du temps, leurs orbites se resserrent à mesure que le gaz et les étoiles passent entre les trous noirs et volent de l'énergie.

Finalement, les trous noirs supermassifs se rapprochent tellement que le vol d'énergie s'arrête. Certaines études théoriques soutiennent depuis des décennies que les trous noirs s'arrêtent ensuite indéfiniment lorsqu'ils sont distants d'environ 1 parsec (environ trois années-lumière). Cette théorie du proche mais sans cigare est devenue connue sous le nom de problème de parsec final. Dans ce scénario, seuls de rares groupes de trois trous noirs supermassifs ou plus entraînent des fusions.

Les paires de trous noirs supermassifs pourraient cependant avoir un tour dans leur sac. Ils pourraient émettre de l'énergie sous forme d'ondes gravitationnelles puissantes en orbite autour jusqu'à ce qu'ils finissent par entrer en collision dans une finale cataclysmique. "Une fois que les deux trous noirs se sont suffisamment rapprochés pour être vus par des réseaux de synchronisation de pulsars, rien ne peut les empêcher de fusionner en seulement quelques millions d'années", a déclaré Luke Kelley de l'Université de Californie à Berkeley, président du groupe d'astrophysique de NANOGrav.

Les pulsars sont des étoiles à neutrons à rotation rapide qui émettent des faisceaux étroits et larges d'ondes radio. Crédit : Centre de vol spatial Goddard de la NASA

L'existence du fond d'onde gravitationnelle trouvé par NANOGrav semble étayer cette prédiction, mettant potentiellement fin au problème de parsec final.

Étant donné que des paires de trous noirs supermassifs se forment en raison des fusions de galaxies, l'abondance de leurs ondes gravitationnelles aidera les cosmologistes à estimer la fréquence à laquelle les galaxies sont entrées en collision tout au long de l'histoire de l'univers. Mingarelli, la chercheuse postdoctorale Deborah C. Good du CCA et de l'Université du Connecticut, et leurs collègues ont étudié l'intensité du fond des ondes gravitationnelles. Ils estiment que des centaines de milliers, voire un million ou plus de binaires de trous noirs supermassifs habitent l'univers.

Pulsar avec Terre. 1 crédit

Sources alternatives

Cependant, toutes les ondes gravitationnelles détectées par NANOGrav ne proviennent pas nécessairement de paires de trous noirs supermassifs. D'autres propositions théoriques prévoient également des ondes dans la gamme des ultra-basses fréquences. La théorie des cordes, par exemple, prédit que des défauts unidimensionnels appelés cordes cosmiques peuvent s'être formés dans l'univers primitif. Ces cordes pourraient dissiper de l'énergie en émettant des ondes gravitationnelles. Une autre proposition suggère que l'univers n'a pas commencé avec le Big Bang mais avec un Big Bounce alors qu'un univers précurseur s'est effondré sur lui-même avant de se développer vers l'extérieur. Dans une telle histoire d'origine, les ondes gravitationnelles de l'incident se propageraient toujours dans l'espace-temps.

Pulsar en gros plan. 1 crédit

Il est également possible que les pulsars ne soient pas les détecteurs d'ondes gravitationnelles parfaits que les scientifiques pensent qu'ils sont, et qu'ils pourraient plutôt avoir une variabilité inconnue qui fausse les résultats de NANOGrav. "Nous ne pouvons pas marcher jusqu'aux pulsars et les rallumer et les éteindre pour voir s'il y a un bug", dit Mingarelli.

L'équipe NANOGrav espère explorer tous les contributeurs potentiels au nouveau fond d'ondes gravitationnelles tout en continuant à surveiller les pulsars. Le groupe prévoit de décomposer le fond en fonction de la fréquence et de l'origine des ondes dans le ciel.

Pulsar large. 1 crédit

n effort international

Heureusement, l'équipe NANOGrav n'est pas seule dans sa quête. Plusieurs articles publiés aujourd'hui par des collaborations utilisant des télescopes en Europe, en Inde, en Chine et en Australie rapportent des indices du même signal de fond d'onde gravitationnelle dans leurs données. Par le biais du consortium International Pulsar Timing Array, les groupes individuels mettent en commun leurs données pour mieux caractériser le signal et identifier ses sources.

"Nos données combinées seront beaucoup plus puissantes", déclare Stephen Taylor de l'Université Vanderbilt, qui a codirigé la nouvelle recherche et préside actuellement la collaboration NANOGrav. "Nous sommes ravis de découvrir les secrets qu'ils vont révéler sur notre univers."

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COMMENTAIRES

C'est la première fois que SCIENCE  X m envoie un article aussi démesurément long ! Mais j en reconnais l importance  ,,, Sur le plan théorique  les dépouillement de ce fond d ondes gravitationnelle peut montrer plusieurs types de phénomènes :

1/ Les chocs  produisant ces ondes   sont  trés nombreux 

2/ L 'amotissement  de ces chocs  peut etre trés lent 

3/ Il est possible   que des multi mocro big bang locaux se prduisent en permanence  ( voir sur internet  les divers modèles d 'univers)

4/Le big Bouce  est il  possible et se traduit il en ondes gravitationnelles  infiniment longues  ??? Le cosmos  se renouvelle t il sans cesse  ou  par ''sessions' aléatoires  ?

ETC 

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More information: The NANOGrav 15-year Data Set: Evidence for a Gravitational-Wave Background, The Astrophysical Journal Letters (2023). DOI: 10.3847/2041-8213/acdac6

Gabriella Agazie et al, The NANOGrav 15 yr Data Set: Observations and Timing of 68 Millisecond Pulsars, The Astrophysical Journal Letters (2023). DOI: 10.3847/2041-8213/acda9a

Gabriella Agazie et al, The NANOGrav 15 yr Data Set: Detector Characterization and Noise Budget, The Astrophysical Journal Letters (2023). DOI: 10.3847/2041-8213/acda88

Adeela Afzal et al, The NANOGrav 15 yr Data Set: Search for Signals from New Physics, The Astrophysical Journal Letters (2023). DOI: 10.3847/2041-8213/acdc91

Astrophysical Interpretation of a Gravitational Wave Background from Massive Black Hold Binaries (accepted for publication in ApJL)

Bayesian Limits on GWs from Individual SMBHBs (accepted for publication in ApJL)

Journal information: Astrophysical Journal Letters 

Provided by Simons Foundation

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