On vient de détecter pour la première fois un fond cosmologique chaotique d'ondes gravitationnelles pouvant provenir de diverses sources, en particulier les trous noirs supermassifs binaires, mais aussi peut-être des supercordes cosmiques ou encore d'événements survenus pendant le Big Bang, comme une phase d'inflation ayant créé la matière qui nous entoure. La Voie lactée, elle-même, a servi de détecteur géant pendant 15 ans en utilisant plusieurs radiotélescopes – comme celui de Nançay – pour observer des dizaines de pulsars, ces astres de la taille de la Terre mais contenant autant de masse que le Soleil.

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    En 1917, EinsteinEinstein découvre en même temps le principe du laserlaser, l’énergie noire accélérant l’expansion de l’Univers observable et pousse un cran plus loin ses travaux sur les ondes gravitationnellesondes gravitationnelles prédites par les équations de la relativité générale, sa théorie relativiste de la gravitation dont il a donné une forme finale en novembre 1915.

    Selon cette théorie, l’espace-temps de la relativité restreinte théorisé par le mathématicien Hermann Minkowski en 1908 se comporte en fait comme un milieu élastique pouvant se courber, se déformer et être le lieu d'ondes analogues aux ondes sonoresondes sonores et lumineuses. En 2015, en utilisant des faisceaux laser, on détecte enfin le passage d'une onde gravitationnelle sur Terre avec le détecteur LigoLigo aux États-Unis, des dizaines d'autres détections vont suivre les années suivantes alors que d'autres détecteurs entrent dans la danse, VirgoVirgo surtout, en Europe, mais aussi Kagra, au Japon.

    Il s'agit alors d'ondes produites par les ultimes moments de deux astresastres compacts, des trous noirs stellairestrous noirs stellaires ou des étoiles à neutronsétoiles à neutrons qui en quelques centièmes de seconde font varier les distances dans l'espace sur Terre de la taille d'un noyau d'atomeatome tout au plus. Mais, en 1983, deux chercheurs états-uniens, Ron Hellings et George Downs, collègues au mythique Caltech des prix Nobel de physiquephysique Richard Feynman et surtout Kip Thorne qui s'est lancé dans l'étude et la détection des ondes gravitationnelles, se rendent compte que l'on peut utiliser les pulsarspulsars de la Voie lactéeVoie lactée pour détecter des ondes gravitationnelles dans une autre bande de fréquencesbande de fréquences, beaucoup plus basses.

    Un pulsar est une étoile à neutrons qui émet des faisceaux de rayonnement qui balayent la ligne de visée de la Terre. Comme un trou noir, c'est un point final à l'évolution stellaire. Les « impulsions » de rayonnement de haute énergie que nous voyons d'un pulsar sont dues à un désalignement de l'axe de rotation de l'étoile à neutrons et de son axe magnétique. Les pulsars semblent pulser de notre point de vue parce que la rotation de l'étoile à neutrons fait que le faisceau de rayonnement généré dans le champ magnétique entre et sort de notre champ de vision avec une période régulière, un peu comme le faisceau de lumière d'un phare. Le flux de lumière est, en réalité, continu, mais pour un observateur éloigné, il semble clignoter et s'éteindre à intervalles réguliers. Pour obtenir une traduction en français assez fidèle, cliquez sur le rectangle blanc en bas à droite. Les sous-titres en anglais devraient alors apparaître. Cliquez ensuite sur l'écrou à droite du rectangle, puis sur « Sous-titres » et enfin sur « Traduire automatiquement ». Choisissez « Français ». © Nasa Goddard Space Flight Center

    Une superposition cosmologique de sources d'ondes gravitationnelles

    Les décennies à venir vont faire prendre conscience qu'il serait alors possible d'ouvrir une fenêtrefenêtre sur plusieurs phénomènes astrophysiquesastrophysiques et même cosmologiques de grande importance produisant indirectement ce que l'on a appelé le fond cosmologique d'ondes gravitationnelles stochastiquestochastique.

    L'origine la plus probable de ce fond est celle des sources d'ondes gravitationnelles que sont les trous noirs supermassifstrous noirs supermassifs contenant de un million à plusieurs milliards de masses solaire et qui peuvent entrer en collision une fois que deux grandes galaxiesgalaxies qui en contenaient un chacune ont fusionné. Le processus prendrait 25 millions d'années et produirait donc un fond cosmique chaotique de l'espace-tempsespace-temps un peu comme le feraient des gouttes de pluie tombant dans une mare, chaque impact de goutte de pluie représentant une collision en cours de trous noirs supermassifs dans l'UniversUnivers observable.

    L'idée de la détection de ce fond chaotique produit par les trous noirs supermassifs comme ceux observés par les membres de la collaboration Event Horizon Telescope est la suivante. On sait que les pulsars sont des étoiles à neutrons en rotation très rapide, denses et avec un champ magnétiquechamp magnétique intense. Elles produisent donc un faisceau d'ondes radioradio, un peu comme un phare et cela se traduit, quand ce faisceau croise la Terre, par une  série d'impulsions très stables dans un radiotélescope comme ceux d'AreciboArecibo et de Nançay.

    Une vue d'artiste de la Terre noyée dans l'espace-temps qui est déformé par les ondes gravitationnelles du fond stochastique et ses effets sur les signaux radio provenant des pulsars observés. © Tonia Klein, NANOGrav

    En arrivant sur Terre, ces ondes font varier les distances de la longueur d'un terrain de foot, mais il leur faut pour cela une trentaine d'années, ce qui correspond à des longueurs d'onde de 2 à 10 années-lumière. On comprend donc pourquoi il a fallu aux physiciensphysiciens une quinzaine d'années et des détecteurs à l'échelle de la Galaxie pour déclarer aujourd'hui qu'ils avaient bel et bien mis en évidence le fond d'ondes gravitationnelles cosmologiques.

    Comme les distances spatiales dans la Voie lactée sont affectées par ces ondes, les temps de trajets des ondes électromagnétiquesondes électromagnétiques des pulsars varient également, de sorte que l'on détecte parfois des avances et des retards dans les temps d'arrivée des impulsions des pulsars.

    En étudiant simultanément des dizaines de pulsars pour mettre en évidence des corrélations entre les fluctuations des temps d'arrivée des impulsions radio, on peut donc extraire du signal des fluctuations qui sont bien spécifiques au passage d'une onde gravitationnelle dans la Voie lactée, sur Terre et pas des ...
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