Un signal a été repéré dans un ensemble de données d'observations de pulsars sur presque 13 ans. Il pourrait s'agir de l'indice de l'existence d'un « fond » composé d'ondes gravitationnelles.

Un étrange signal basse-fréquence a été détecté et pourrait être attribué aux ondes gravitationnelles. Pourrait-il s’agir d’un premier indice de l’existence d’un fond cosmologique composé d’ondes gravitationnelles ? On ne peut pas encore l’affirmer, mais il est certain que la détection d’un tel rayonnement aurait un impact important en cosmologie et en physique.

Le signal a été repéré dans le cadre du North American Nanohertz Observatory for Gravitational Waves (NANOGrav), un consortium d’astronomes qui tente de détecter des ondes gravitationnelles depuis divers observatoires, comme Green Bank (Virginie-Occidentale) et Arecibo (Porto Rico). Le 11 janvier 2021, le consortium a présenté ses résultats, également publiés le 24 décembre dans The Astrophysical Journal Letters (et prépubliés sur arXiv). Les travaux se penchent sur presque 13 années d’observations (entre 2004 et 2017) de pulsars éloignés, des étoiles denses qui tournent rapidement et émettent des signaux périodiques.

Qu’est-ce qu’une onde gravitationnelle ?

Les ondes gravitationnelles se déplacent de la même façon que les ondes à la surface de l’eau dans laquelle on aurait jeté une pierre. Leur origine est un événement cosmique très intense, comme une collision de trous noirs, par exemple. Comme cet événement se produit très loin de notre planète, l’énergie transportée jusqu’à la Terre est très faible, ce qui explique en partie pourquoi il est si complexe de les détecter. Les ondes gravitationnelles se propagent à la vitesse de la lumière et déforment l’espace-temps.

Ce sont ces infimes variations dans la position des objets que les observatoires d’ondes gravitationnelles cherchent à mesurer. D’où cet intérêt pour les pulsars (les plus stables connus), car le passage des ondes gravitationnelles peut perturber la régularité des signaux émis par les pulsars tels qu’on les détecte sur Terre.

Un fond stochastiques d’ondes gravitationnelles

Ici, les scientifiques ne s’intéressent pas à une source précise d’ondes gravitationnelles, mais à un « fond » d’ondes gravitationnelles : on pourrait imaginer une sorte d’arrière-plan, formé par des ondes gravitationnelles émises par une superpositions de sources (astrophysiques ou cosmologiques). La collaboration scientifique LIGO parle d’ « ondes gravitationnelles stochastiques ».

On pourrait dès lors envisager qu’il existe un fond cosmologique d’ondes gravitationnelles, qui seraient les reliques de la première évolution de l’Univers. Ce fond stochastique d’ondes gravitationnelles d’origine cosmologique aurait pu être produit dans les premiers instants de l’Univers, après le Big Bang. On peut faire une analogie avec le fond diffus cosmologique, aussi dit rayonnement fossile (la plus ancienne lumière encore présente dans l’Univers). Comme le résume LIGO, le fond cosmologique d’ondes gravitationnelles doit être le résultat d’une combinaison d’événements aléatoires et indépendants qui ont émis des ondes gravitationnelles.

Le fond diffus cosmologique. // Source : Wikimedia/CC/NASA (image recadrée et modifiée)

Le Big Bang pourrait avoir été la source de ces événements produisant des « ondes gravitationnelles stochastiques » : si tel est le cas, les ondes se sont probablement étirées du fait de l’expansion de l’Univers (l’Univers se dilate), ce qui les rendrait difficiles à détecter. Ces ondes (primordiales) seraient alors un formidable moyen d’en savoir plus sur l’Univers quelques secondes à peine après le Big Bang — le fond diffus cosmologique, lui, est daté de 300 000 ans après le Big Bang.

Il est certes encore trop tôt pour affirmer que le signal qui été découvert correspond bien à un fond stochastique d’ondes gravitationnelles (et s’il est d’origine astrophysique ou cosmologique) : comme l’écrivent les scientifiques, il faudra le vérifier avec des ensembles de données plus grands, en incluant davantage de pulsars. Il faut également écarter toute possibilité que le signal puisse être produit par d’autres effets que les ondes gravitationnelles.

Crédit photo de la une : Flickr/CC/Penn State (image recadrée)

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