Le fond d’ondes gravitationnelles : un nouveau pas vers sa détection

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Une équipe internationale d’astronomes comprenant un certain nombre de scientifiques de l’Institut Max Planck de radioastronomie à Bonn, en Allemagne, a annoncé les résultats d’une recherche approfondie d’un fond d’ondes gravitationnelles à ultra-basse fréquence. Ces ondes gravitationnelles à l’échelle de l’année-lumière, conséquence de la relativité générale, imprègnent tout l’espace-temps et pourraient provenir de la fusion des trous noirs les plus massifs de l’Univers ou d’événements survenus peu après la formation de l’Univers lors du Big Bang. Les résultats sont présentés en ligne sous forme de publication avec comité de lecture dans les «Monthly Notices of the Royal Astronomical Society».

Vue d’artiste de l’expérience IPTA – Un réseau de pulsars autour de la Terre intégrés dans un fond d’ondes gravitationnelles provenant de binaires de trous noirs supermassifs. Les signaux des pulsars mesurés avec un réseau de radiotélescopes mondiaux sont affectés par les ondes gravitationnelles et permettent d’étudier l’origine du fond. Les distances ont été réduites à des fins visuelles, notamment les trous noirs supermassifs sont beaucoup plus éloignés dans la réalité. © Carl Knox/OzGrav

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L’International Pulsar Timing Array (IPTA), rejoignant les travaux de plusieurs collaborations en astrophysique du monde entier, a récemment terminé sa recherche d’ondes gravitationnelles dans sa dernière publication officielle de données, connue sous le nom de Data Release 2 (DR2). Cet ensemble de données se compose de données de synchronisation de précision provenant de pulsars de 65 millisecondes – des restes stellaires qui tournent des centaines de fois par seconde, balayant des faisceaux étroits d’ondes radio qui apparaissent comme des impulsions en raison de leur rotation – combinées à partir des ensembles de données indépendants de l’European Pulsar Timing Array (EPTA), le North American Nanohertz Observatory for Gravitational Waves (NANOGrav) et le Parkes Pulsar Timing Array en Australie (PPTA), les trois membres fondateurs de l’IPTA. En tant que collaboration d’équipes d’astronomes, d’analystes de données et d’astrophysiciens autour des plus grands radiotélescopes européens et de plusieurs instituts de recherche affiliés, l’European Pulsar Timing Array fait partie et contribue à l’International Pulsar Timing Array.

L’une des principales expertises de l’EPTA est la combinaison de données. «L’European Pulsar Timing Array lui-même est un effort international et nous sommes habitués à combiner les données de jusqu’à cinq radiotélescopes différents et même à observer simultanément. Cette expertise a été très utile dans la création de la version actuelle des données», déclare le Dr David Champion de l’Institut Max Planck de radioastronomie (MPIfR) à Bonn, membre de la collaboration EPTA et co-auteur de l’article. De plus, le grand nombre de 42 pulsars et une longue base de référence allant jusqu’à 18 ans représentent une majorité relative du nombre d’observations dans le communiqué. Une grande partie de la méthodologie bayésienne utilisée a été développée dans l’EPTA pour établir des limites supérieures pour la force du fond d’onde gravitationnelle (GWB) et pour ensuite comprendre les statistiques du signal émergent au fil des ans.

La recherche d’un fond d’ondes gravitationnelles comprend une comparaison approfondie entre les ensembles de données individuels des grandes collaborations scientifiques régionales et l’ensemble de données combiné. Cette recherche dans le présent communiqué a révélé des preuves solides d’un signal basse fréquence détecté par de nombreux pulsars dans les données combinées. Les caractéristiques de ce signal commun aux pulsars sont largement en accord avec celles attendues d’un signal de fond d’ondes gravitationnelles. Ce fond est formé par de nombreux signaux d’ondes gravitationnelles superposés émis par la population cosmique de trous noirs binaires supermassifs (c’est-à-dire deux trous noirs supermassifs en orbite l’un autour de l’autre et finissant par fusionner), analogues au bruit de fond des nombreuses voix qui se chevauchent dans une salle bondée. Ce résultat renforce encore l’émergence progressive de signaux similaires qui ont été trouvés dans les ensembles de données individuels des collaborations participantes au cours des dernières années.

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«C’est un signal très excitant ! Bien que nous n’ayons pas encore de preuves définitives, nous commençons peut-être à détecter un arrière-plan d’ondes gravitationnelles», déclare le Dr Siyuan Chen, membre des deux collaborations EPTA et NANOGrav, et responsable de la recherche et de la publication IPTA DR2. Le Dr Boris Goncharov du PPTA met en garde sur les interprétations possibles de ces signaux communs: “Nous examinons également ce que ce signal pourrait être d’autre. Par exemple, cela pourrait peut-être résulter du bruit présent dans les données des pulsars individuels qui peut avoir été mal modélisé dans nos analyses”.

Pour identifier le fond d’ondes gravitationnelles comme origine du signal basse fréquence, l’IPTA doit également détecter les corrélations spatiales entre les pulsars; cela signifie que chaque paire de pulsars doit répondre d’une manière très particulière aux ondes gravitationnelles, en fonction de leur séparation sur le ciel. «La corrélation du signal entre les paires de pulsars est essentielle pour comprendre la source du signal. Les ondes gravitationnelles ont un schéma très spécifique qu’il est difficile de prendre en compte d’une autre manière. Mais nous avons besoin d’un signal plus fort pour pouvoir détecter cette corrélation», explique le Dr Yanjun Guo, également du MPIfR. Curieusement, la première indication d’un GWB serait un signal commun comme celui vu dans l’IPTA DR2. Que ce signal basse fréquence spectralement similaire soit ou non corrélé entre les pulsars conformément aux prédictions théoriques pour un fond d’ondes gravitationnelles sera résolu avec une collecte de données supplémentaire, des réseaux étendus de pulsars surveillés et des recherches continues des données plus longues et plus grandes résultantes. ensembles.

Des signaux cohérents comme celui récupéré avec l’analyse IPTA ont également été publiés dans des ensembles de données individuels plus récents que ceux utilisés dans l’IPTA DR2, de chacune des trois collaborations fondatrices. “Le fait que le même signal soit déjà vu dans l’ensemble de données IPTA plus court montre la puissance de la combinaison internationale et donne une grande motivation pour inclure plus de données des membres actuels et nouveaux dans la synchronisation des pulsars”, déclare Adytia Parthasarathy du MPIfR. De plus, de nouvelles données du télescope MeerKAT en Afrique du Sud et de l’Indian Pulsar Timing Array (InPTA), le plus récent membre de l’IPTA, élargiront encore les futurs ensembles de données. “Le premier indice d’un GWB serait un signal comme celui vu dans l’IPTA DR2. Ensuite, avec plus de données, le signal deviendra plus significatif et montrera des corrélations spatiales, à quel point nous saurons qu’il s’agit d’un GWB. Nous sommes très impatients de contribuer pour la première fois plusieurs années de nouvelles données à l’IPTA, afin d’aider à réaliser une détection GWB”, déclare le Dr Bhal Chandra Joshi, membre de l’InPTA.

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Récemment, l’EPTA a produit un nouveau jeu de données avec 6 pulsars, étendant la durée des observations à 24 ans avec des données plus sensibles, et l’a analysé à la fois pour la recherche d’un signal commun utilisant deux pipelines indépendants ainsi qu’une seule étude de bruit de pulsar. Des travaux sont en cours pour augmenter le nombre à au moins 25 ; cet ensemble de données EPTA étendu fera partie de la prochaine combinaison de données IPTA. Compte tenu des derniers résultats publiés par les groupes individuels qui peuvent maintenant tous clairement récupérer le signal commun, l’IPTA est optimiste quant à ce qui peut être réalisé une fois ceux-ci combinés dans la prochaine publication de données (IPTA DR3). Des travaux sont déjà en cours sur cette nouvelle publication de données, qui comprendra au minimum des ensembles de données mis à jour à partir des quatre réseaux de synchronisation de pulsars constitutifs de l’IPTA.

Nous nous attendons à ce que l’analyse de la prochaine diffusion des données soit terminée au cours des prochaines années. “Si le signal que nous voyons actuellement est le premier indice d’un fond d’ondes gravitationnelles, alors sur la base de nos simulations, il est possible que nous ayons des mesures plus précises des corrélations spatiales nécessaires pour identifier de manière concluante l’origine du signal commun dans le proche futur”, explique le Dr Maura McLaughlin de la collaboration NANOGrav.  «Il s’agit d’un véritable effort d’équipe internationale. Le groupe de chercheurs du MPIfR comprend à lui seul un groupe diversifié de scientifiques juniors et seniors issus de nombreux horizons culturels différents, travaillant tous sur le même objectif», conclut Michael Kramer, directeur au MPIfR et responsable de son département de recherche «Physique fondamentale en radioastronomie».

Voir la publication

The IPTA collaboration : J. Antoniadis et al., 2022. “The International Pulsar Timing Array second data release: Search for an isotropic Gravitational Wave Background”. Monthly Notices of the Royal Astronomical Society. DOI: 10.1093/mnras/stab3418

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