En février 2016, des scientifiques travaillant pour l'observatoire des ondes gravitationnelles des interféromètres laser (LIGO) ont réalisé la toute première détection d'ondes gravitationnelles. Depuis lors, plusieurs détections ont eu lieu, en grande partie grâce à l'amélioration des instruments et à une plus grande collaboration entre les observatoires. À l'avenir, il est possible que des missions non conçues à cet effet puissent également «éclairer la lune» comme détecteurs d'ondes gravitationnelles.
Par exemple, le vaisseau spatial Gaia - qui est en train de créer la carte 3D la plus détaillée de la Voie lactée - pourrait également jouer un rôle déterminant dans la recherche sur les ondes gravitationnelles. C’est ce qu’une équipe d’astronomes de l’Université de Cambridge a récemment déclaré. Selon leur étude, le satellite Gaia a la sensibilité nécessaire pour étudier les ondes gravitationnelles à ultra-basse fréquence produites par les fusions de trous noirs supermassifs.
L'étude, intitulée «Méthode de recherche astrométrique pour les sources d'ondes gravitationnelles individuellement résolubles avec Gaia», a récemment paru dans le Lettres d'examen physique. Dirigée par Christopher J. Moore, physicien théoricien du Center for Mathematical Sciences de l'Université de Cambridge, l'équipe comprenait des membres de l'Institut d'astronomie de Cambridge, du laboratoire Cavendish et du Kavli Institute for Cosmology.
Pour récapituler, les ondes gravitationnelles (GW) sont des ondulations dans l'espace-temps qui sont créées par des événements violents, tels que les fusions de trous noirs, les collisions entre les étoiles à neutrons et même le Big Bang. Initialement prédits par la théorie de la relativité générale d'Einstein, des observatoires tels que LIGO et Advanced Virgo détectent ces ondes en mesurant la manière dont l'espace-temps fléchit et se serre en réponse aux GW traversant la Terre.
Cependant, le passage des GW ferait également osciller la Terre à son emplacement par rapport aux étoiles. En conséquence, un télescope spatial en orbite (tel que Gaia) serait capable de saisir cela en notant un changement temporaire de la position des étoiles distantes. Lancé en 2013, l'observatoire Gaia a passé ces dernières années à effectuer des observations de haute précision des positions des étoiles dans notre galaxie (alias astrométrie).
À cet égard, Gaia rechercherait de petits déplacements dans le champ massif d'étoiles qu'il surveille pour déterminer si des ondes gravitationnelles ont traversé le voisinage de la Terre. Pour déterminer si Gaia était ou non à la hauteur, Moore et ses collègues ont effectué des calculs pour déterminer si le télescope spatial Gaia avait la sensibilité nécessaire pour détecter les GW à ultra-basse fréquence.
À cette fin, Moore et ses collègues ont simulé des ondes gravitationnelles produites par un trou noir supermassif binaire - c'est-à-dire deux SMBH en orbite l'une autour de l'autre. Ils ont découvert qu'en compressant les ensembles de données d'un facteur supérieur à 106 (mesurant 100 000 étoiles au lieu d'un milliard à la fois), les GW ont pu être récupérés à partir des données Gaia avec une perte de sensibilité de seulement 1%.
Cette méthode serait similaire à celle utilisée dans les réseaux de synchronisation Pulsar, où un ensemble de pulsars millisecondes est examiné pour déterminer si les ondes gravitationnelles modifient la fréquence de leurs impulsions. Cependant, dans ce cas, les étoiles sont surveillées pour voir si elles oscillent avec un motif caractéristique, plutôt que de pulser. En regardant un champ de 100 000 étoiles à la fois, les chercheurs pourraient détecter les mouvements apparents induits (voir la figure ci-dessus).
Pour cette raison, la publication complète des données de Gaia (prévue pour le début des années 2020) est susceptible d'être une opportunité majeure pour ceux qui recherchent des signaux GW. Comme Moore l'a expliqué dans un APS Physics communiqué de presse:
«Gaia fera de la mesure de cet effet une perspective réaliste pour la première fois. De nombreux facteurs contribuent à la faisabilité de l'approche, notamment la précision et la longue durée des mesures astrométriques. Gaia observera environ un milliard d'étoiles sur 5 à 10 ans, localisant chacune d'entre elles au moins 80 fois au cours de cette période. L'observation de tant d'étoiles est la principale avancée fournie par Gaia. »
Il est également intéressant de noter que le potentiel de détection de GW était quelque chose que les chercheurs ont reconnu lorsque Gaia était encore en cours de conception. Un tel individu était Sergei A. Klioner, un chercheur de l'Observatoire Lorhrmann et le chef du groupe Gaia à TU Dresden. Comme il l'a indiqué dans son étude de 2017, «Astrométrie et ondes gravitationnelles de type Gaia», Gaia a pu détecter les GW causés par la fusion des SMBH des années après l'événement:
«Il est clair que les sources d'ondes gravitationnelles les plus prometteuses pour la détection astrométrique sont les trous noirs binaires supermassifs au centre des galaxies… On pense que les trous noirs supermassifs binaires sont un produit relativement commun d'interaction et de fusion des galaxies au cours typique de leur évolution. Ce type d'objets peut donner des ondes gravitationnelles dont les fréquences et les amplitudes sont potentiellement à la portée de l'astrométrie spatiale. De plus, les ondes gravitationnelles de ces objets peuvent souvent être considérées comme ayant une fréquence et une amplitude pratiquement constantes pendant toute la période d'observation de plusieurs années. »
Mais bien sûr, rien ne garantit que le filtrage des données Gaia révélera des signaux GW supplémentaires. D'une part, Moore et ses collègues reconnaissent que les ondes à ces fréquences ultra-basses pourraient être trop faibles pour que même Gaia puisse les détecter. De plus, les chercheurs devront être capables de faire la distinction entre les GW et les signaux conflictuels qui résultent des changements d'orientation de l'engin spatial - ce qui n'est pas un défi facile!
Pourtant, il y a de l'espoir que des missions comme Gaia seront en mesure de révéler des GW qui ne sont pas facilement visibles pour les détecteurs interférométriques au sol comme LIGO et Advanced Virgo. De tels détecteurs sont soumis à des effets atmosphériques (comme la réfraction) qui les empêchent de voir des ondes de fréquence extrêmement basse - par exemple, les ondes primordiales produites pendant l'époque inflationniste du Big Bang.
En ce sens, la recherche sur les ondes gravitationnelles n'est pas sans rappeler la recherche sur les exoplanètes et de nombreuses autres branches de l'astronomie. Afin de trouver les joyaux cachés, les observatoires peuvent avoir besoin de prendre de l'espace pour éliminer les interférences atmosphériques et augmenter leur sensibilité. Il est alors possible que d'autres télescopes spatiaux soient réoutillés pour la recherche GW et que des détecteurs GW de prochaine génération soient montés à bord de vaisseaux spatiaux.
Au cours des dernières années, les scientifiques sont passés de la première détection des ondes gravitationnelles à la mise au point de nouvelles et meilleures façons de les détecter. À ce rythme, il ne faudra pas longtemps avant que les astronomes et les cosmologistes soient en mesure d’inclure les ondes gravitationnelles dans nos modèles cosmologiques. En d'autres termes, ils pourront montrer quelle influence ces ondes ont joué dans l'histoire et l'évolution de l'Univers.
