La houle cosmique

La « houle cosmique » qui fait trembler l’Univers

a peut-être été découverte

Le Figaro du 19/3/22, par Tristan Vey

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Image d’une collision frontale entre deux galaxies capturée par le télescope Hubble

Ces ondes gravitationnelles très amples sont émises par les fusions de trous noirs supermassifs.

C’est la grande découverte d’Albert Einstein : l’Univers n’est pas simplement la somme des objets qui le composent. Il possède une structure sous-jacente, le fameux espace-temps, qui est à la fois plastique et dynamique. Sa propriété la plus connue est d’être déformée par la masse. Les vulgarisateurs utilisent volontiers une analogie en deux dimensions pour s’en faire une idée : celle d’un drap tendu sur lequel on pose des objets plus ou moins lourds, qui forment alors des cuvettes. Cela permet de comprendre instinctivement pourquoi une bille lancée tout droit sur le drap sera naturellement déviée de sa trajectoire par un objet massif. Dans la vision d’Einstein, l’objet va bien tout droit, c’est l’espace dans lequel il évolue qui est déformé et modifie sa direction apparente.

Mais ce n’est pas la seule conséquence de la théorie de la relativité générale. Il en existe au moins deux autres : l’espace-temps évolue (il est en expansion accélérée ce qui conduit tous les objets à s’éloigner les uns des autres et ce d’autant plus vite qu’ils sont lointains entre eux) et certains événements extrêmes peuvent le faire « vibrer » (à la manière d’un bol de gelée).

C’est cette deuxième propriété qui nous intéresse ici. L’espace-temps peut être traversé par des « ondes gravitationnelles ». Vous en avez probablement déjà entendu parler en 2015 quand elles furent détectées pour la première fois. Il s’agissait alors d’ondes provoquées par la fusion de deux petits trous noirs de quelques masses solaires chacun. L’espace-temps terrestre avait alors vibré pendant une fraction de seconde, s’allongeant et se contractant plusieurs fois d’une fraction de la taille d’un noyau atomique.

Depuis, les grands détecteurs européen Virgo et américain Ligo, capables de détecter ces infimes perturbations, ont enregistré plusieurs dizaines de fois ces très légers soubresauts spatiotemporels. Si l’Univers était un océan, il ne s’agirait toutefois là que de quelques ridules à sa surface qui, mêlées entre elles, formerait à peine une sorte d’écume. Or l’espace-temps serait aussi le lieu d’ondulations bien plus amples et lentes. Cette grande houle cosmique est formée par des événements bien plus extrêmes : les fusions de trous noirs supermassifs. Ces ogres, qui se nichent au cœur des galaxies les plus massives, pèsent plusieurs millions à plusieurs milliards de fois la masse du Soleil. Lorsque leurs galaxies respectives entrent en collision, ces mastodontes entament alors une longue valse qui peut s’étaler sur des milliards d’années. C’est dans les derniers instants de cette danse cosmique, entre 10 000 ans et quelques millions d’années avant la fusion définitive, que le couple émet alors de puissantes ondes gravitationnelles.

Même signature retrouvée par trois groupes différents

« Leur superposition forme ce qu’on appelle le ‘‘fond stochastique d’ondes gravitationnelles’’, explique Marta Volonteri, directrice de recherche CNRS à l’Institut d’astrophysique de Paris. Et les radioastronomes viennent peut-être d’en détecter la trace pour la première fois. » Réunis au sein de la collaboration internationale IPTA (International Pulsar Timing Array), ces derniers ont mis en commun des années de données enregistrées par les plus grandes antennes de radioastronomie du monde (Greenbank aux États-Unis, Parkes en Australie, Nançay en France, Effelsberg en Allemagne, Lovell en Angleterre, Sardinia en Italie et Westerbork aux Pays-Bas). Les résultats de leur analyse sont parus dans la dernière édition des Monthly Notices of the Royal Astronomical Society (mars 2022).

« À vrai dire, l’affaire remonte un peu plus loin en arrière », souligne l’un des coauteurs, Gilles Theureau, astronome au laboratoire de physique et de chimie de l’environnement et de l’espace (LPC2E, CNRS-Orléans) et à la station de radioastronomie de Nançay (Observatoire de Paris). Historiquement, la collaboration IPTA regroupe trois groupes, l’un australien (Parkes Pulsar Timing Array in Australia- PPTA), l’autre américain (North American Nanohertz Observatory for Gravitaional Waves - NANOGrav) et un consortium européen (European Pulsar Timing Array - EPTA) - les Indiens et les Sud-Africains se sont greffés depuis et les Chinois frappent à la porte. « Chacun des trois groupes a retrouvé ce signal dans son propre jeu de données en 2020, précise Gilles Theureau. Les Américains ont dégainé les premiers, en publiant leurs résultats en décembre 2020. Puis les Australiens et les Européens ont suivi. En mettant en commun une partie seulement de nos données, nous avons à nouveau retrouvé la même signature (c’est l’objet de la publication la plus récente citée plus haut, NDLR). »

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