Au milieu des années 1980, Bernard Schutz a trouvé une nouvelle solution à l’un des problèmes les plus anciens de l’astronomie: Comment mesurer la distance entre la Terre et d’autres objets du cosmos. Pendant des générations, les chercheurs se sont appuyés sur la luminosité d’un objet comme mesure approximative de sa distance. Mais cette approche comporte des complications sans fin. Les étoiles sombres et proches, par exemple, peuvent se faire passer pour des étoiles brillantes qui sont plus éloignées.,
Schutz, physicien à L’Université de Cardiff, au Royaume-Uni, a réalisé que les ondes gravitationnelles pouvaient fournir la réponse. Si les détecteurs pouvaient mesurer ces ondulations dans l’espace-temps, émanant de paires d’objets distants en interaction, les scientifiques auraient toutes les informations nécessaires pour calculer la force du signal au départ — et donc la distance que les ondes doivent avoir parcourue pour atteindre la Terre. Ainsi, a-t-il prédit, les ondes gravitationnelles pourraient être des marqueurs sans ambiguïté de la rapidité avec laquelle l’univers se développe.,
son idée était élégante mais peu pratique: personne à l’époque ne pouvait détecter les ondes gravitationnelles. Mais, en août dernier, Schutz a finalement eu l’occasion de tester ce concept lorsque les réverbérations d’une fusion vieille de 130 millions d’années entre deux étoiles à neutrons ont traversé des détecteurs d’ondes gravitationnelles sur Terre. Comme par hasard, L’événement s’est produit dans une galaxie relativement proche, produisant une première mesure beaucoup plus propre que ce que Schutz avait rêvé. Avec ce seul point de données, Schutz a pu montrer que sa technique pourrait devenir l’une des plus fiables pour mesurer la distance., ” C’était difficile à croire », dit Schutz. « Mais il était là. »
D’autres fusions comme celle-là pourraient aider les chercheurs à résoudre un débat en cours sur la vitesse à laquelle l’univers se développe actuellement. Mais la cosmologie n’est qu’une discipline qui pourrait faire de gros gains grâce aux détections d’ondes gravitationnelles dans les années à venir., Avec une poignée de découvertes déjà à leur actif, les scientifiques des ondes gravitationnelles ont une longue liste de ce qu’ils attendent de plus de données, y compris un aperçu des origines des trous noirs de l’univers; les conditions extrêmes à l’intérieur des étoiles à neutrons; une chronique de la façon dont l’univers s’est structuré en galaxies; et les Les ondes gravitationnelles pourraient même fournir une fenêtre sur ce qui s’est passé dans les premiers instants après le Big Bang.,
Les chercheurs commenceront bientôt à travailler sur cette liste, avec l’aide de L’Observatoire américain des ondes gravitationnelles à interféromètre Laser (LIGO), de L’Observatoire Virgo près de Pise, en Italie, et d’un détecteur similaire au Japon qui pourrait commencer à faire des observations l’année prochaine. Ils recevront un coup de pouce supplémentaire des interféromètres spatiaux, et de ceux terrestres qui sont encore sur la table à dessin-ainsi que d’autres méthodes qui pourraient bientôt commencer à produire leurs propres premières détections d’ondes gravitationnelles (voir « le spectre des ondes gravitationnelles »).,
Like many scientists, Schutz hopes that the best discoveries will be ones that no theorist has even dreamed of., « Chaque fois que vous commencez à observer quelque chose de si radicalement nouveau, il y a toujours la possibilité de voir des choses auxquelles vous ne vous attendiez pas. »
indices filants
pour un domaine de recherche qui n’a pas encore trois ans, l’astronomie des ondes gravitationnelles a livré des découvertes à un rythme stupéfiant, dépassant même les attentes les plus optimistes. En plus de la découverte en août de la fusion neutrons-étoiles, LIGO a enregistré cinq paires de trous noirs fusionnant en plus grands depuis 2015 (voir « faire des vagues »)., Les découvertes sont la preuve la plus directe à ce jour que les trous noirs existent vraiment et ont les propriétés prédites par la relativité générale. Ils ont également révélé, pour la première fois, des paires de trous noirs en orbite l’un autour de l’autre.
Les chercheurs espèrent maintenant découvrir comment de tels appariements sont apparus. Les trous noirs individuels de chaque paire devraient se former lorsque des étoiles massives manquent de carburant dans leurs noyaux et s’effondrent, déclenchant une explosion de supernova et laissant derrière elles un trou noir d’une masse allant de quelques à quelques dizaines de soleils.,
Source: LIGO/VIRGO; conception par Nik Spencer/Nature
Il existe deux scénarios principaux pour la façon dont de tels trous noirs pourraient s’entourer: ils pourraient commencer comme des étoiles massives dans l’orbite de l’autre, et rester ensemble même après chaque Supernova va. Ou, les trous noirs pourraient se former indépendamment, mais être entraînés ensemble plus tard par des interactions gravitationnelles fréquentes avec d’autres objets — quelque chose qui pourrait se produire dans les centres des amas d’étoiles denses.,
de toute façon, l’énergie des objets se disperse progressivement sous forme d’ondes gravitationnelles, un processus qui entraîne la paire dans une spirale toujours plus serrée et plus rapide, pour finalement fusionner en un trou noir plus massif. Ilya Mandel, astrophysicien théorique à l’Université de Birmingham, Royaume-Uni, dit que pour que LIGO et Virgo voient de telles paires fusionner, les trous noirs typiques doivent avoir commencé leur orbite mutuelle séparée par une distance inférieure au quart de celle entre la Terre et le soleil., « Si vous commencez avec les deux trous noirs plus loin en dehors, il est plus long que l’âge de l’Univers” pour fusionner, Mandel dit.
Les cinq fusions de trous noirs découvertes jusqu’à présent ne sont pas suffisantes pour déterminer quel scénario de formation domine. Mais dans une analyse d’août des trois premières détections, un groupe comprenant Mandel et Will Farr, astrophysicien théorique et membre de LIGO à l’Université de Birmingham, a suggéré que seulement dix autres observations pourraient fournir des preuves substantielles en faveur d’un scénario ou de l’autre1., Cela impliquerait de scruter les ondes gravitationnelles à la recherche d’indices sur la rotation des trous noirs: ceux qui s’apparient après s’être formés indépendamment devraient avoir des spins orientés de manière aléatoire, tandis que ceux ayant une origine commune devraient avoir des axes de spin parallèles les uns aux autres et à peu près perpendiculaires au plan dans lequel ils orbitent.
D’autres observations pourraient également fournir un aperçu de certaines des questions fondamentales sur la formation des trous noirs et l’évolution stellaire., La collecte de nombreuses mesures de masses devrait révéler des écarts-plages dans lesquelles il existe peu ou pas de trous noirs, dit Vicky Kalogera, astrophysicienne LIGO à la Northwestern University à Evanston, Illinois. En particulier,” il devrait y avoir une pénurie de trous noirs à l’extrémité de faible masse », dit-elle, car les supernovae relativement petites ont tendance à laisser derrière elles des étoiles à neutrons, et non des trous noirs, comme restes. Et à l’extrémité supérieure-environ 50 fois la masse du soleil — les chercheurs s’attendent à voir une autre coupure., Dans les très grandes étoiles, on pense que les pressions au cœur finissent par produire de l’antimatière, provoquant une explosion si violente que l’étoile se désintègre simplement sans laisser de restes. Ces événements, appelés supernovae d’instabilité de paire, ont été théorisés, mais jusqu’à présent, il y a eu peu de preuves d’observation pour les étayer.
à terme, les détections de trous noirs délimiteront une carte de l’univers comme le font actuellement les enquêtes sur les galaxies, explique Rainer Weiss, physicien au Massachusetts Institute of Technology de Cambridge, concepteur principal de LIGO., Une fois que les chiffres se sont accumulés, « nous pouvons réellement commencer à voir tout l’univers dans les trous noirs”, dit-il. « Chaque morceau d’astrophysique en tirera quelque chose. »
pour intensifier ces observations, LIGO et Virgo ont des plans pour améliorer leur sensibilité, ce qui révélera non seulement plus d’événements, mais aussi plus de détails sur chaque Fusion. Entre autres choses, les physiciens sont impatients de voir les ondes de « ringdown » détaillées qu’un trou noir post-fusion émane lorsqu’il se dépose dans une forme sphérique — une observation qui pourrait potentiellement révéler des fissures dans la théorie générale de la relativité.,
avoir plus d’observatoires répartis dans le monde entier sera également crucial. KAGRA, un détecteur En construction profondément souterrain au Japon, pourrait commencer à collecter des données d’ici la fin de 2019. Sa localisation — et, en particulier, son orientation par rapport aux ondes entrantes-complétera celle de LIGO et de Virgo, et permettra aux chercheurs de déterminer la polarisation des ondes gravitationnelles, qui Code des informations sur l’orientation du plan orbital et le spin des objets en spirale., Et L’Inde prévoit de construire un autre observatoire dans la prochaine décennie, fabriqué en partie avec des composants de rechange de LIGO.
Une quantité encore plus importante de découvertes pourrait provenir de l’observation de fusions d’étoiles à neutrons. Jusqu’à présent, les chercheurs n’ont annoncé qu’une seule détection de ce type, appelée GW170817. Ce signal, vu en août dernier, était presque certainement l’événement le plus intensément étudié de l’histoire de l’astronomie. Et il a résolu d’un seul coup un certain nombre de mystères de longue date, y compris l’origine de l’or et d’autres éléments lourds de l’Univers2, ainsi que la cause de certaines éruptions de rayons γ3.,
d’Autres observations pourrait permettre aux scientifiques d’explorer l’intérieur de ces objets. On pense que les étoiles à neutrons sont aussi denses que la matière peut l’être sans s’effondrer dans un trou noir, mais quelle est la densité exacte de quiconque. Aucune expérience de laboratoire ne peut étudier ces conditions, et il existe des dizaines de propositions pour ce qui s’y passe. Certaines théories prédisent que les quarks-les composants subatomiques qui composent les protons et les neutrons — devraient se libérer les uns des autres et errer, peut-être dans des États supraconducteurs superfluides., D’autres affirment que des quarks plus lourds et « étranges » se forment et font partie des cousins exotiques du neutron.
épingler les rayons des étoiles à neutrons pourrait permettre aux physiciens d’évaluer les théories, car ils prédisent différentes « équations d’état » — des formules qui relient la pression, la température et la densité de la matière. De telles équations déterminent dans quelle mesure la matière peut être comprimée, et donc quelle sera la largeur ou l’étroitesse d’une étoile à neutrons pour une masse donnée, et quelle sera la masse de telles étoiles.,
le signal de 100 secondes en Août est finalement devenu trop élevé pour que LIGO et Virgo puissent le détecter, ce qui a empêché les observatoires de voir les derniers moments des deux étoiles à neutrons, alors qu’elles auraient dû se déformer mutuellement d’une manière qui aurait révélé leur taille et leur dureté, ou leur résistance à la compression. Pourtant, dit B. S., Sathyaprakash, physicien théoricien LIGO à la Pennsylvania State University à University Park, à partir de cet événement, « nous pouvons exclure des équations d’état qui permettent des tailles d’étoiles à neutrons supérieures à 15 kilomètres de rayon”-un chiffre qui est cohérent avec d’autres mesures et favorise la matière « plus douce ».
Les futures détections — et détecteurs — donneront beaucoup plus de détails. Sathyaprakash dit que le télescope Einstein, un possible Observatoire de nouvelle génération imaginé par une équipe en Europe, pourrait emmener les physiciens bien au-delà d’une limite supérieure., « Nous voulons pouvoir déterminer le rayon à 100 mètres”, dit – il — une précision qui serait étonnante, étant donné que ces objets sont à des millions d’années-lumière.
appels de sirènes
des signaux similaires à GW170817, observés à la fois par les ondes gravitationnelles et la lumière, pourraient avoir des implications dramatiques pour la cosmologie. Schutz a calculé en 1985 que la fréquence, ou hauteur, des ondes provenant d’objets en spirale, ainsi que la vitesse à laquelle cette hauteur augmente, révèlent des informations sur la masse collective des objects4., Cela détermine la force de leurs ondes à la source. En mesurant la force des ondes qui atteignent la Terre — l’amplitude du signal effectivement capté par les interféromètres — on peut alors estimer la distance que les ondes ont parcourue depuis la source. Toutes choses étant égales par ailleurs, une source qui est deux fois plus loin, par exemple, produira un signal moitié moins fort., Ce type de signal a été surnommé une sirène standard, en clin d’œil à une méthode courante de mesure des distances en cosmologie: les étoiles appelées bougies standard ont une luminosité bien connue, ce qui permet aux chercheurs de déterminer leur distance de la Terre.
en couplant la mesure de distance de GW170817 avec une estimation de la vitesse à laquelle les galaxies de cette région s’éloignent de la Terre, Schutz et ses collaborateurs ont fait une nouvelle estimation complètement indépendante de la constante de Hubble — le taux actuel d’expansion de l’univers (voir « signaux cosmiques »)., Le résultat5, qui fait partie d’une série d’articles publiés par LIGO, Virgo et quelques 70 autres équipes d’astronomie le 16 octobre, « ouvre une nouvelle ère pour la cosmologie et l’astrophysique”, dit Wendy Freedman, astronome à L’Université de Chicago dans L’Illinois qui a effectué des mesures très précises de la constante de Hubble, en utilisant des techniques,
crédit: Nik Spencer/Nature
en tant que mesure directe et indépendante de cette constante, les sirènes standard pourraient aider à résoudre un désaccord entre les cosmologistes. Les techniques de pointe, affinées au cours de près d’un siècle de travail commencé avec Edwin Hubble lui-même, donnent maintenant des estimations qui diffèrent de quelques pour cent., Cette première mesure standard-sirène ne résout pas la tension: le taux d’expansion qu’elle prédit tombe quelque part dans le milieu de la plage et, parce qu’il est basé sur un seul événement de fusion, a une grande barre d’erreur. Mais à l’avenir, les chercheurs s’attendent à ce que les sirènes standard clouent la constante de Hubble avec une erreur inférieure à 1%. Jusqu’à présent, les bougies standard l’ont fait avec des précisions de 2-3%.,
Les sirènes Standard pourraient devenir des outils encore plus puissants avec les interféromètres spatiaux tels que L’interféromètre laser Space Antenna (LISA), un trio de sondes que l’Agence Spatiale Européenne, qui dirige la mission, prévoit de lancer dans les années 2030. LISA est conçu pour être sensible aux ondes de basse fréquence que les observatoires au sol ne peuvent Cela lui donnerait accès à des systèmes plus massifs, qui émettent des ondes gravitationnelles plus fortes., En principe, LISA pourrait capter des sirènes à travers l’Univers et, à l’aide de télescopes conventionnels, mesurer non seulement le taux actuel d’expansion cosmique, mais aussi comment ce taux a évolué à travers les éons. Ainsi, LISA pourrait aider à résoudre le plus grand casse-tête de la cosmologie: la nature de l’énergie noire, la composante cosmique encore non identifiée qui accélère l’expansion de l’univers.,
alors que les interféromètres au sol détectent des événements brefs et éloignés, LISA devrait entendre une cacophonie de signaux dès qu’il s’allume, y compris un chœur constant de naines blanches binaires serrées-les restes omniprésents d’étoiles de la taille du soleil — dans notre propre galaxie. « C’est comme si nous vivions dans une forêt bruyante et que nous devions distinguer les sons d’oiseaux individuels”, explique L’astrophysicienne Monica Colpi de L’Université de Milan–Bicocca en Italie, qui fait partie d’un comité fixant les objectifs scientifiques de la mission.,
de temps en temps, LISA devrait voir des fusions de trous noirs comme celles que LIGO fait, mais à une échelle beaucoup plus grande. On pense que la plupart des galaxies abritent un trou noir supermassif central qui pèse des millions, voire des milliards, de masses solaires. Sur une échelle de milliards d’années, les galaxies pourraient fusionner plusieurs fois; éventuellement, leurs trous noirs centraux pourraient fusionner, aussi. Ces événements ne sont pas fréquents pour les galaxies individuelles, mais comme il y a des milliards de galaxies dans l’Univers observable, une fusion détectable devrait se produire quelque part au moins quelques fois par an., Les scientifiques poursuivent également un moyen distinct de détecter les ondes gravitationnelles de paires de ces mastodontes aux premiers stades de leurs orbites. À l’aide de radiotélescopes, ils surveillent les pulsars à l’intérieur de la Voie Lactée et recherchent de petites variations de leurs signaux, causées par le passage des ondes gravitationnelles à travers la galaxie. Aujourd’hui, il existe trois « réseaux de synchronisation des pulsars », en Australie, en Europe et en Amérique du Nord, et un quatrième en Chine.,
grâce à la sensibilité planifiée de LISA et aux signaux forts produits par les trous noirs supermassifs en spirale, l’Observatoire devrait être capable de capter les ondes gravitationnelles de paires de trous noirs supermassifs des mois avant leur fusion, et de voir la fusion suffisamment en détail pour tester la relativité générale avec une grande précision. Après des années de fonctionnement, LISA pourrait accumuler suffisamment d’événements éloignés pour que les chercheurs reconstruisent la formation hiérarchique des galaxies — comment les petites se sont combinées pour former des galaxies de plus en plus grandes — dans l’histoire de l’univers.,
sur le terrain, aussi, les physiciens commencent quelques « grandes nouvelles entreprises”, dit Weiss. Une équipe américaine envisage un explorateur cosmique avec des bras de détection de 40 kilomètres-10 fois plus longs que ceux de LIGO — qui seraient sensibles aux signaux d’événements beaucoup plus éloignés, peut-être à travers tout l’Univers observable.
Le concept du télescope Einstein en Europe prévoit un détecteur avec des bras de 10 kilomètres disposés en triangle équilatéral et placés dans des tunnels à environ 100 mètres sous terre., Les conditions calmes qui s’y trouvent pourraient aider à élargir la portée de l’Observatoire, à des fréquences d’un dixième de celles détectables par les machines actuelles. Cela pourrait permettre aux scientifiques de trouver des trous noirs au-delà de la plage considérée comme interdite par la supernova à instabilité de paire; à des masses suffisamment élevées, les étoiles devraient avoir un mécanisme d’effondrement différent et pouvoir former des trous noirs de 100 masses solaires ou plus.
Si les scientifiques ont de la chance, les ondes gravitationnelles pourraient même leur permettre d’accéder à la physique du Big Bang lui-même, à des époques qui ne sont observables par aucun autre moyen., Dans les premiers instants de l’univers, deux forces fondamentales — la force électromagnétique et la force nucléaire faible — étaient indiscernables. Lorsque ces forces se sont séparées, elles pourraient avoir produit des ondes gravitationnelles qui, aujourd’hui, pourraient apparaître comme un « sifflement aléatoire” détectable par LISA, dit Schutz. Ce signal hypothétique est distinct d’un signal de longueur d’onde beaucoup plus longue encore plus tôt, qui pourrait apparaître dans le plus ancien rayonnement visible de l’univers: le fond micro-ondes cosmique., En 2014, une équipe a signalé6 qu’elle avait observé cet effet avec le télescope BICEP2 au pôle Sud, mais les chercheurs ont ensuite reconnu des problèmes avec cette interprétation7.
avec la réouverture de LIGO et Virgo à la fin de cette année, la prochaine grande découverte sur la liste de souhaits de Weiss est le signal d’une étoile qui s’effondre — quelque chose que les astronomes pourraient également observer comme un type de supernova. Mais il a de grands espoirs pour ce qui pourrait être à l’horizon. « Si nous ne voyons pas quelque chose auquel nous n’avions pas pensé”, dit Weiss. « Je serais déçu.”
