L’Univers vu à travers les ondes gravitationnelles
L’Homme a observé le ciel, d’abord à l’oeil nu pendant des siècles, puis plus récemment avec des télescopes de plus en plus gros. Aujourd’hui, nous étudions l’Univers en observant principalement la lumière visible et d’autres formes de rayonnement électromagnétique tels que les ondes radio, le rayons X et les rayons gamma. Cependant, au cours du 20ème siècle, nous avons aussi appris à exploiter d’autres « messagers » cosmiques en particulier les particules de hautes énergies comme les rayons cosmiques et les neutrinos. Avec Advanced Virgo, nous allons détecter un nouveau type de messager astrophysique, détecté pour la première fois en septembre Z015 : les ondes gravitationnelles.
Les ondes gravitationnelles sont des ondulations du tissu de l’espace-temps. On s’attend à ce qu’elles soit émises par des étoiles en rotation dans des systèmes binaires, des trous noirs, des explosions d’étoiles massives et même quelques instants après la naissance de l’Univers, le Big Bang. Et il faut certainement ajouter à cette liste des sources astrophysiques encore inconnues : la Relativité Générale prédit que toute masse accélérée suivant un mouvement qui n’a ni symétrie sphérique ni symétrie cylindrique doit être une source d’ondes gravitationnelles.
Advanced Virgo peut détecter des ondes gravitationnelles dont les fréquences sont comprises entre 10 Hz et 10000 Hz. Ce sont les mêmes fréquences que les ondes sonores audibles par l’homme. Par conséquent, tout signal mesuré par Advanced Virgo peut être envoyé à un haut-parleur et nous pouvons ainsi écouter la symphonie de l’Univers.
Quelles sont les principales sources d’ondes gravitationnelles dans le ciel ? Vous pouvez les trouver dans la suite, et même écouter leur « son gravitationnel » !
Coalescences de trous noirs et d’étoiles à neutrons
Quand deux astres compacts et massifs comme des trous noirs ou des étoiles à neutrons tournent l’un autour de l’autre, ils se rapprochent lentement l’un de l’autre jusqu’au moment où ils fusionnent, formant un trou noir. Le phénomène est appelé une coalescence. Ces systèmes binaires perdent de l’énergie en émettant des ondes gravitationnelles dont la fréquence et l’amplitude augmentent tout au long de leur longue vie. C’est l’étude du système binaire d’étoiles à neutrons PSR B1913+16 qui a fourni la première preuve de l’existence de l’émission gravitationnelle. Russel Hulse et Joseph Taylor ont reçu le prix Nobel de Physique en 1993 pour l’observation de ce système qui perd de l’énergie exactement comme on s’y attend lors de l’émission d’ondes gravitationnelles. Et d’autres astres binaires découverts plus récemment se comportent de la même façon.
Pendant la phase finale de fusion, les ondes gravitationnelles sont suffisamment fortes pour être détectées par Advanced Virgo, seulement quelques secondes avant leur collision, quand les astres tournent 10, 100, 1000 fois par seconde l’un autour de l’autre ! De telles collisions sont très rares dans une galaxie, mais Advanced Virgo va les chercher dans des millions de galaxies. Ceci devrait nous permettre de découvrir une poignée de tels événements tous les ans. La détection de ces systèmes binaires nous aidera à comprendre comment interagissent ces astres compacts, et si ces collisions très violentes sont reliées aux sursauts gamma détectés par des satellites depuis des décennies. La toute première onde gravitationnelle détectée (appelée GW150914) provenait de la coalescence de deux trous noirs, et elle nous a déjà appris que des trous noirs aussi massifs que 30 et 60 masses solaires existent vraiment !
Ecoutez son « gazouilli », le son associé à cette onde gravitationnelle !
Etoiles à neutrons en rotation
Une étoile à neutrons est le résidu compact d’une supernova, explosion d’une étoile massive. C’est un astre en rotation rapide et générant un champ magnétique très fort. Les étoiles à neutrons sont des astres extrêmes : elles ont une masse proche de celle du Soleil, mais condensée à l’intérieure d’une sphère de 10 km de rayon, et elles peuvent tourner sur elles-mêmes jusqu’à 1000 fois par seconde ! Si l’étoile n’est pas parfaitement sphérique, avec juste une minuscule « montagne » à sa surface, elle va générer une onde gravitationnelle en permanence.
Les pulsars sont des cas particuliers d’étoiles à neutrons dont l’axe du champ magnétique est désaxé et en provenance desquelles nous recevons des flashs périodiques de lumière à chaque fois que l’étoile fait un tour sur elle-même. Jusqu’à maintenant, Virgo n’a pas détecté d’onde gravitationnelle en provenance des pulsars connus. Ceci nous a permis de conclure que ce sont des boules parfaites à mieux que 1 mm près ! L’observation des étoiles à neutrons fournira de précieuses informations sur leur structure interne. Advanced Virgo va chercher les ondes gravitationnelles émises par des étoiles à neutrons dans le voisinage du Soleil principalement, mais aussi dans notre galaxie, la Voie Lactée.
« Sursauts gravitationnels » et supernova
Le nom générique donné aux impulsions d’ondes gravitationnelles qui ne durent que quelques millisecondes à quelques secondes est « burst » (sursaut) d’onde gravitationnelle.
Advanced Virgo sera capable d’observer le coeur de l’effondrement gravitationnel d’une étoile massive à la fin de sa vie, connu sous le nom de supernova. Dans une galaxie comme la Voie Lactée, il y a seulement quelques supernovæ par siècle. Leur observation permettra de mieux comprendre ce qui se cache derrière la matière éjectée lors de l’explosion et comment se forment les trous noirs.
Ecoutez le « son associé à l’onde gravitationnelle » de cette explosion de supernova !
Fond stochastique
La plupart des modèles cosmologiques prédisent que nous baignons dans un fond diffus d’ondes gravitationnelles générées pendant les tous premiers instants après le Big Bang. La détection d’un tel fond nous donnerait des informations sur l’évolution de l’Univers, fournissant un aperçu unique sur les premiers instants de l’Univers.
De plus, la superposition de toutes les sources faibles et distantes qui émettent des ondes gravitationnelles depuis la naissance de l’Univers doit aussi former un fond diffus d’ondes gravitationnelles. La détection de ce fond nous aiderait à élucider l’histoire de la formation des étoiles et l’évolution des sources astrophysiques.
Vers l’inattendu
A chaque fois que les Hommes ont observé le ciel avec un nouvel instrument, captant de nouvelles longueurs d’onde de la lumière ou de nouveaux messagers, des astres et des phénomènes inattendus ont été découverts. Par conséquent, en observant les ondes gravitationnelles, nous nous attendons aussi à avoir des surprises ! Les cordes cosmiques sont un exemple de sources exotiques qui pourraient émettre des ondes gravitationnelles.
Jouez avec l’Univers gravitationnel !
Pour jouer et écouter des ondes gravitationnelles, allez vite voir le jeu Black Hole Hunter (chasseur de trous noirs).
