After 15 years, pulsar timing yields evidence of cosmic background gravitational waves
Après 15 ans, la synchronisation des pulsars révèle des ondes gravitationnelles de fond cosmique
par Robert Sanders, Université de Californie - Berkeley
Interprétation d'artiste d'un ensemble de pulsars affectés par des ondulations gravitationnelles produites par un binaire de trou noir supermassif dans une galaxie lointaine. Crédit : Aurore Simonnet pour la Collaboration NANOGrav
L'univers bourdonne de rayonnement gravitationnel - un grondement à très basse fréquence qui étire et comprime rythmiquement l'espace-temps et la matière qui y est incorporée.
C'est la conclusion de plusieurs groupes de chercheurs du monde entier qui ont simultanément publié une multitude d'articles de journaux en juin décrivant plus de 15 ans d'observations de pulsars millisecondes dans notre coin de la galaxie de la Voie lactée. Au moins un groupe – la collaboration North American Nanohertz Observatory for Gravitational Waves (NANOGrav) – a trouvé des preuves convaincantes que les rythmes précis de ces pulsars sont affectés par l'étirement et la compression de l'espace-temps par ces ondes gravitationnelles de grande longueur d'onde.
"Il s'agit d'une preuve clé des ondes gravitationnelles à très basses fréquences", déclare Stephen Taylor de l'Université Vanderbilt, qui a codirigé la recherche et est l'actuel président de la collaboration. "Après des années de travail, NANOGrav ouvre une toute nouvelle fenêtre sur l'univers des ondes gravitationnelles."
Les ondes gravitationnelles ont été détectées pour la première fois par le Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO) en 2015. Les fluctuations à courte longueur d'onde dans l'espace-temps ont été causées par la fusion de trous noirs plus petits, ou parfois d'étoiles à neutrons, toutes pesant moins d'un quelques centaines de masses solaires.
La question est maintenant : les ondes gravitationnelles de grande longueur d'onde - avec des périodes allant de plusieurs années à plusieurs décennies - sont-elles également produites par les trous noirs ?
Dans un article du consortium NANOGrav, publié dans The Astrophysical Journal Letters, Université de Californie, Berkeley, le physicien Luke Zoltan Kelley et l'équipe NANOGrav ont soutenu que le bourdonnement est probablement produit par des centaines de milliers de paires de trous noirs supermassifs, chacun pesant des milliards. fois la masse de notre soleil - qui, au cours de l'histoire de l'univers, se sont suffisamment rapprochées pour fusionner.
L'équipe a produit des simulations de populations binaires de trous noirs supermassifs contenant des milliards de sources et a comparé les signatures d'ondes gravitationnelles prédites avec les observations les plus récentes de NANOGrav.
La danse orbitale des trous noirs avant la fusion fait vibrer l'espace-temps de manière analogue à la façon dont les danseurs de valse font vibrer en rythme une piste de danse. De telles fusions au cours de l'âge de 13,8 milliards d'années de l'univers ont produit des ondes gravitationnelles qui se chevauchent aujourd'hui, comme les ondulations d'une poignée de cailloux jetés dans un étang, pour produire le bourdonnement de fond. Comme les longueurs d'onde de ces ondes gravitationnelles sont mesurées en années-lumière, leur détection nécessitait un réseau d'antennes de la taille d'une galaxie, une collection de pulsars millisecondes.
"Je suppose que l'éléphant dans la pièce est que nous ne sommes toujours pas sûrs à 100% qu'il soit produit par des binaires de trous noirs supermassifs. C'est certainement notre meilleure estimation, et c'est entièrement cohérent avec les données, mais nous ne sommes pas sûrs", a déclaré Kelley, professeur adjoint adjoint d'astronomie à l'UC Berkeley. "S'il s'agit de binaires, c'est la première fois que nous confirmons l'existence de binaires de trous noirs supermassifs, ce qui est un énorme casse-tête depuis plus de 50 ans maintenant."
"Le signal que nous voyons provient d'une population cosmologique dans l'espace et dans le temps, en 3D. Une collection de beaucoup, beaucoup de ces binaires nous donne collectivement cet arrière-plan", a déclaré l'astrophysicien Chung-Pei Ma, professeur Judy Chandler Webb à en sciences physiques dans les départements d'astronomie et de physique de l'UC Berkeley et membre de la collaboration NANOGrav.
Ma a noté que si les astronomes ont identifié un certain nombre de binaires possibles de trous noirs supermassifs à l'aide d'observations radio, optiques et à rayons X, ils peuvent utiliser les ondes gravitationnelles comme une nouvelle sirène pour les guider où dans le ciel pour rechercher des ondes électromagnétiques et mener des études détaillées. des binaires de trous noirs.
Ma dirige un projet pour étudier 100 des trous noirs supermassifs les plus proches de la Terre et est impatient de trouver des preuves d'activité autour de l'un d'eux qui suggèrent une paire binaire afin que NANOGrav puisse régler le réseau de synchronisation des pulsars pour sonder cette partie du ciel pour la gravitation vagues. Les binaires de trous noirs supermassifs émettent probablement des ondes gravitationnelles pendant quelques millions d'années avant de fusionner.
D'autres causes possibles des ondes gravitationnelles de fond incluent les axions de la matière noire, les trous noirs laissés par le début de l'univers - les soi-disant trous noirs primordiaux - et les cordes cosmiques. Un autre article NANOGrav paru dans ApJ Letters expose les contraintes de ces théories.
"D'autres groupes ont suggéré que cela vient de l'inflation cosmique ou de cordes cosmiques ou d'autres types de nouveaux processus physiques qui sont eux-mêmes très excitants, mais nous pensons que les binaires sont beaucoup plus probables.
On pense que la plupart des grandes galaxies ont des trous noirs massifs en leur centre, bien qu'ils soient difficiles à détecter car la lumière qu'elles émettent - allant des rayons X aux ondes radio produites lorsque les étoiles et le gaz tombent dans le trou noir - est généralement bloquée par gaz et poussière environnants. Ma a récemment analysé le mouvement des étoiles autour du centre d'une grande galaxie, M87, et a affiné les estimations de sa masse - 5,37 milliards de fois la masse du soleil - même si le trou noir lui-même est totalement obscurci.
Curieusement, le trou noir supermassif au centre de M87 pourrait être un trou noir binaire. Mais personne ne le sait avec certitude.
"Ma question pour M87, ou même pour notre centre galactique, Sagittarius A*, est : pouvez-vous cacher un deuxième trou noir près du trou noir principal que nous avons étudié ? Et je pense qu'actuellement, personne ne peut exclure cela", a déclaré Ma. . "Le pistolet fumant pour cette détection d'ondes gravitationnelles provenant de trous noirs supermassifs binaires devrait provenir d'études futures, où nous espérons pouvoir voir des détections d'ondes continues à partir de sources binaires uniques."
Les simulations de fusions de galaxies suggèrent que les trous noirs supermassifs binaires sont courants, puisque les trous noirs centraux de deux galaxies fusionnées devraient couler ensemble vers le centre de la plus grande galaxie fusionnée. Ces trous noirs commenceraient à orbiter les uns les autres, bien que les ondes que NANOGrav puisse détecter ne soient émises que lorsqu'elles se rapprochent très près, a déclaré Kelley - quelque chose comme 10 à 100 fois le diamètre de notre système solaire, ou 1 000 à 10 000 fois la Terre- distance du soleil, qui est de 93 millions de miles.
Mais les interactions avec le gaz et la poussière dans la galaxie fusionnée peuvent-elles faire tourner les trous noirs vers l'intérieur pour se rapprocher, rendant une fusion inévitable ?
"Cela a été en quelque sorte la plus grande incertitude dans les binaires de trous noirs supermassifs : comment les obtenir juste après la fusion des galaxies jusqu'à l'endroit où ils fusionnent réellement", a déclaré Kelley. "Les fusions de galaxies rapprochent les deux trous noirs supermassifs à environ un kiloparsec, soit une distance de 3 200 années-lumière, à peu près la taille du noyau d'une galaxie. Mais ils doivent descendre à cinq ou six ordres de grandeur plus petites séparations avant ils peuvent en fait produire des ondes gravitationnelles."
"Il se pourrait que les deux soient simplement bloqués", a noté Ma. "Nous appelons cela le dernier problème de parsec. Si vous n'aviez pas d'autre canal pour les réduire, nous ne nous attendrions pas à voir des ondes gravitationnelles."
Mais les données NANOGrav suggèrent que la plupart des binaires de trous noirs supermassifs ne calent pas.
"L'amplitude des ondes gravitationnelles que nous voyons suggère que les fusions sont assez efficaces, ce qui signifie qu'une grande partie des binaires de trous noirs supermassifs sont capables de passer de ces grandes échelles de fusion de galaxies aux très, très petites échelles subparsec, ", a déclaré Kelley.
NANOGrav a pu mesurer les ondes gravitationnelles de fond, grâce à la présence de pulsars millisecondes - des étoiles à neutrons à rotation rapide qui balaient un faisceau lumineux d'ondes radio devant la Terre plusieurs centaines de fois par seconde. Pour des raisons inconnues, leur fréquence de pulsation est précise au dixième de milliseconde près.
Lorsque le premier pulsar milliseconde de ce type a été découvert en 1982 par le regretté astronome de l'UC Berkeley, Donald Backer, il s'est rapidement rendu compte que ces flasheurs de précision pouvaient être utilisés pour détecter les fluctuations de l'espace-temps produites par les ondes gravitationnelles. Il a inventé le terme "réseau de synchronisation de pulsars" pour décrire un ensemble de pulsars dispersés autour de nous dans la galaxie qui pourraient être utilisés comme détecteur.
En 2007, Backer a été l'un des fondateurs de NANOGrav, une collaboration qui implique maintenant plus de 190 scientifiques des États-Unis et du Canada. Le plan était de surveiller au moins une fois par mois un groupe de pulsars millisecondes dans notre partie de la galaxie de la Voie lactée et, après avoir pris en compte les effets du mouvement, de rechercher des changements corrélés dans les taux d'impulsions qui pourraient être attribués à la gravité gravitationnelle à longue longueur d'onde. ondes voyageant à travers la galaxie. Le changement de l'heure d'arrivée d'un signal de pulsar particulier serait de l'ordre d'un millionième de seconde, a déclaré Kelley.
"Ce ne sont que les variations statistiquement cohérentes qui sont vraiment la marque des ondes gravitationnelles", a-t-il déclaré. "Vous voyez tout le temps des variations sur des échelles de millisecondes, de dizaines de millisecondes. C'est simplement dû aux processus de bruit. Mais vous devez approfondir cela et examiner ces corrélations pour capter des signaux qui ont des amplitudes d'environ 100 nanosecondes environ. "
La collaboration NANOGrav a surveillé 68 pulsars en tout, certains pendant 15 ans, et en a employé 67 dans l'analyse actuelle. Le groupe a rendu public ses programmes d'analyse, qui sont utilisés par des groupes en Europe (European Pulsar Timing Array), en Australie (Parkes Pulsar Timing Array) et en Chine (Chinese Pulsar Timing Array) pour corréler les signaux de différents ensembles, bien que parfois superposés, de pulsars que ceux utilisés par NANOGrav.
Les données NANOGrav permettent plusieurs autres inférences sur la population de fusions binaires de trous noirs supermassifs au cours de l'histoire de l'univers, a déclaré Kelley.
Au fur et à mesure que de plus en plus de données proviennent d'années d'observations, l'équipe NANOGrav s'attend à obtenir des preuves plus convaincantes d'un fond d'ondes gravitationnelles cosmiques et de ce qui le produit, ce qui pourrait être une combinaison de sources. Pour l'instant, les astronomes sont enthousiasmés par les perspectives de l'astronomie des ondes gravitationnelles.
"C'est très excitant en tant que nouvel outil", a déclaré Ma. "Cela ouvre une toute nouvelle fenêtre pour les études sur les trous noirs supermassifs."
Les données de NANOGrav proviennent de 15 ans d'observations de l'Observatoire d'Arecibo à Porto Rico, une installation qui s'est effondrée et est devenue inutilisable en 2020 ; le télescope Green Bank en Virginie-Occidentale ; et le Very Large Array au Nouveau-Mexique. Les futurs résultats de NANOGrav intégreront les données du radiotélescope CHIME (Canadian Hydrogen Intensity Mapping Experiment), qui a été ajouté au projet en 2019.
Plus d'informations : Gabriella Agazie et al, The NANOGrav 15 yr Data Set: Binaries from the Gravitational-wav;e Background, The Astrophysical Journal Letters (2023). DOI : 10.3847/2041-8213/ace18b
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COMMENTAIRES
Cet article pose en réalité un probleme tres interessant: si en effet sur une logue période les signaux à tres basse fréquen provent de la zone
d un pulsar présentent des caracteristiques impeccables de reproducuctibilité l observation de perturbations pourait etre dans ce casetre attribuable à
toute autre cause ....Et en particulier aux vibrations de l '
espace temps provoquées par le passage des ondes vibrationnelles d ' EINSTEIN ...Et danx ces cas en effet pourquoi ne pas essayer de démeler les diverses catégories de chczocs ou de fusions se produisant dans l espace temps ????
Mais le problème peut aussi provenir des pulsars :comment etre absolument sur de leur fiabilité en tant qu instrment de mesure ???le problème global est déjà passionnant en lui meme
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More information: Gabriella Agazie et al, The NANOGrav 15 yr Data Set: Constraints on Supermassive Black Hole Binaries from the Gravitational-wave Background, The Astrophysical Journal Letters (2023). DOI: 10.3847/2041-8213/ace18b
Journal information: Astrophysical Journal Letters
Provided by University of California - Berkeley
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