jeudi 4 janvier 2018

Détecter des ondes gravitationnelles en regardant bouger les étoiles


Le passage d'ondes gravitationnelles de basse fréquence, celles produites par la coalescence de trous noirs supermassifs, doit produire de minuscules décalages dans les positions apparentes des étoiles qui nous entourent dans la galaxie, et ces minuscules mouvements seront détectables par le télescope spatial GAIA qui est en cours d'acquisition de données.




Lors de la conception du télescope GAIA il y a 15 ans, l'idée avait été émise qu'il pourrait peut-être être exploité pour détecter indirectement le passage d'ondes gravitationnelles. Il faut dire que GAIA est un télescope unique en son genre. Il est en train de cartographier (depuis 2013) les positions très précises de plus d'un milliard d'étoiles parmi les plus proches de nous, et il va les cartographier durant près de 10 ans, près de 80 fois chacune, ce qui permettra de connaître non seulement la position de ces étoiles mais aussi leur mouvement apparent. 
Or, il se trouve que le passage d'une onde gravitationnelle doit produire un mouvement d'oscillation dans la position des étoiles, selon une forme tout à fait caractéristique. La structure de ces oscillations de positions stellaires permet en théorie de remonter à la fréquence de l'onde gravitationnelle individuelle, à son amplitude, à sa polarisation et bien sûr à sa direction d'origine. 


Christopher Moore (Université de Cambridge) et ces collaborateurs expliquent par de nouveaux calculs que les données de GAIA, lorsqu'elles seront complètes, seront sensibles à des ondes gravitationnelles de très basse fréquence, au moins aussi sensibles que ce que pourront faire les réseaux de pulsars (voir ici) et pouvant même couvrir une plus large plage de fréquences.  Le principe est assez similaire à celui utilisé avec les réseaux de pulsars, sauf qu'au lieu de mesurer des minuscules différences de pulsations temporelles de l'émission des pulsars, on observe ici des infimes différences de positions des étoiles.

Moore et son équipe ont modélisé l'empreinte que laisserait le passage d'ondes gravitationnelles sur le vaste champ d'étoiles mesuré par GAIA. Ils ont simulé des ondes gravitationnelles émises par un couple de trous noirs supermassifs et montrent qu'il suffirait seulement d'un groupe de 100 000 étoiles pour reconnaître leur signature sans ambiguité. En fait, en l'état actuel des moyens de calcul, la totalité du milliard d'étoiles de GAIA est trop volumineux pour être traité par leur méthode. Tout l'enjeu de ce travail de recherche a justement été de compresser subtilement les données astrométriques de telle manière à pouvoir en extraire l'information recherchée sans perdre trop de sensibilité.

Il s'agit ici d'ondes gravitationnelles d'ultra-basse fréquence, de quelques microhertz à quelques nanohertz, ce qui implique qu'une seule oscillation peut durer plusieurs années!...
Les meilleurs candidats pour être détectés de la sorte, selon Moore et ses collègue qui publient leur étude dans Physical Review Letters, seraient des paires de trous noirs de 10 à 100 millions de masses solaires qui seraient resserrés suffisamment pour avoir une période orbitale de l'ordre de 1 an, et qui seraient cachés au centre de galaxies relativement proches.
Les ondes gravitationnelles de très basse fréquence accessibles par cette technique pourraient également provenir de bien plus loin dans l'espace-temps, de l'Univers primordial.

Cette nouvelle méthode sera ainsi complémentaire des mesures temporelles de réseaux de pulsars pour rechercher les ondes gravitationnelles de plus basse fréquence. Rendez-vous vers 2020 pour les premiers résultats... 


Source 

Astrometric Search Method for Individually Resolvable Gravitational Wave Sources with Gaia
Christopher J. Moore, Deyan P. Mihaylov, Anthony Lasenby, and Gerard Gilmore
Physical Review Letters 119, 261102 (29 December 2017)


Illustrations

1) Vue d'artiste du télescope GAIA (ESA)

2) Schéma du mouvement (flèches bleues) des étoiles induit par le passage d'une onde gravitationnelle à proximité de la Terre (les amplitudes sont exagérées) (C. Moore, Cambridge University)