Avec les nouveaux détecteurs d'ondes gravitationnelles, plus de mystères cosmiques seront résolus

Un artiste

Illustration d'un artiste de deux trous noirs en spirale ensemble, créant des ondes gravitationnelles dans le processus. (Crédit image : NASA)

Les ondulations dans l'espace-temps connues sous le nom d'ondes gravitationnelles ont déjà permis de répondre à des questions majeures concernant la nature de la matière et des trous noirs. Et les prochains observatoires d'ondes gravitationnelles sur Terre et dans l'espace pourraient bientôt aider à résoudre certains des plus grands mystères de la science.



« Nous allons pouvoir en apprendre beaucoup sur l'univers ', a déclaré Cole Miller, astrophysicien à l'Université du Maryland, College Park.

L'existence des ondes gravitationnelles a été prédite pour la première fois par Albert Einstein en 1916. Selon la théorie de la relativité générale d'Einstein, la gravité résulte de la façon dont la masse déforme l'espace et le temps. Lorsqu'un objet ayant une masse se déplace, il génère des ondes gravitationnelles qui se déplacent à la vitesse de la lumière, étirant et comprimant l'espace-temps en cours de route.

En rapport: Les détecteurs d'ondes gravitationnelles «améliorés» font cinq découvertes passionnantes en un mois

Les ondes gravitationnelles sont extrêmement faibles, ce qui les rend extrêmement difficiles à détecter, et même Einstein ne savait pas si elles existaient vraiment et si elles seraient détectées. Après des décennies de travail, les chercheurs ont réussi à découvrir la première preuve directe d'ondes gravitationnelles en 2015 à l'aide du Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO).

LIGO utilise une paire de détecteurs - l'un à Hanford, Washington, et l'autre à Livingston, en Louisiane - pour détecter les distorsions causées par les ondes gravitationnelles lorsqu'elles se déplacent dans la matière. Chaque détecteur a la forme d'un gigantesque L, avec des jambes d'environ 4 kilomètres de long. Les pattes de chaque détecteur ont normalement la même longueur, de sorte que les faisceaux laser mettent le même temps à parcourir chacun d'eux. Cependant, si les ondes gravitationnelles traversent la Terre - ce qui fait que les jambes du détecteur se dilatent et se contractent d'environ un dixième du diamètre d'un proton - les horloges atomiques peuvent détecter les différences d'une fraction de seconde dans le temps qu'il faut aux faisceaux laser pour descendre une jambe. du détecteur par rapport à l'autre.

Étant donné que les détecteurs de LIGO sont distants d'environ 1 865 miles (3 000 km), cela peut prendre jusqu'à 10 millisecondes pour qu'une onde gravitationnelle passe d'un détecteur à l'autre. Les scientifiques peuvent utiliser cette différence dans les temps d'arrivée pour déduire d'où viennent les ondes gravitationnelles. Au fur et à mesure que de plus en plus de détecteurs d'ondes gravitationnelles seront mis en ligne, comme l'installation Virgo près de Pise, en Italie, les chercheurs sauront mieux localiser les sources d'ondes gravitationnelles.

Les ondes gravitationnelles que LIGO peut le mieux détecter sont les plus puissantes, qui sont libérées lorsque des objets extraordinairement massifs entrent en collision les uns avec les autres. Les premières ondes gravitationnelles détectées par LIGO provenaient de la collision de trous noirs, et avec Virgo, il a détecté la fusion d'étoiles à neutrons. Ces découvertes ont tout mis en lumière, de la nature de la gravité à l'origine de la plupart des éléments plus lourds que le fer.

Le futur immédiat

Non seulement LIGO et Virgo continuent de détecter des rafales d'ondes gravitationnelles, mais ils reçoivent des améliorations pour augmenter leur sensibilité à détecter encore plus d'événements . De plus, d'autres observatoires d'ondes gravitationnelles seront bientôt en ligne. Le Japon a construit KAGRA, qui devrait rejoindre le réseau LIGO et Virgo en 2019, et LIGO-Inde sera, espérons-le, opérationnel d'ici le milieu des années 2020, a déclaré Miller.

'Plus de détecteurs signifie une meilleure détermination de la direction des sources d'ondes gravitationnelles', a déclaré Miller à demokratija.eu.

Au-delà de 2025, les scientifiques discutent de deux observatoires avancés d'ondes gravitationnelles – le télescope Einstein et l'explorateur cosmique. Le plan du télescope Einstein est de le construire sous terre pour réduire la quantité de bruit ressentie par les vibrations sismiques, tandis que l'objectif de Cosmic Explorer est d'utiliser des systèmes cryogéniques pour aider à réduire le bruit de la chaleur sur ses composants électroniques. La diminution du bruit augmente à son tour la sensibilité aux événements d'ondes gravitationnelles.

La prochaine génération d'observatoires d'ondes gravitationnelles au sol pourrait détecter des fusions de trous noirs de masse intermédiaire, des centaines à des milliers de fois plus massifs que le soleil. Des recherches antérieures ont suggéré que les trous noirs de masse intermédiaire sont les éléments constitutifs des trous noirs supermassifs des millions à des milliards de fois la masse du soleil trouvée au cœur de galaxies telles que la Voie lactée, 'mais leur existence n'a pas encore été prouvée de manière concluante', dit Miller.

En rapport: « Nouvelle ère » de l'astrophysique : pourquoi les ondes gravitationnelles sont si importantes

L'espace, dernière frontière

Les observatoires d'ondes gravitationnelles au sol actuels et prévus sont tous sensibles à des longueurs d'onde d'environ 60 milles (100 km), du type généré par étoiles à neutrons et des trous noirs jusqu'à quelques dizaines de fois la masse du soleil. Cependant, les scientifiques ont depuis longtemps prévu des observatoires spatiaux d'ondes gravitationnelles avec des détecteurs séparés par de grandes distances qui pourraient détecter des longueurs d'onde encore plus longues, du type libéré par les trous noirs supermassifs.

Un observatoire spatial d'ondes gravitationnelles en cours de développement est celui de l'Agence spatiale européenne Antenne spatiale interféromètre laser (LISA), dont le lancement est prévu en 2034. LISA consistera en une constellation de trois satellites en orbite autour du soleil et derrière la Terre. À l'intérieur de chaque satellite se trouve un cube qui tombera librement dans l'espace, traçant un chemin qui ne sera perturbé que par les ondes gravitationnelles. Ces satellites surveilleront attentivement la position de chaque cube pour rechercher des signes d'ondulations spatio-temporelles.

Chacun des satellites de LISA sera à des millions de kilomètres les uns des autres. En principe, LISA sera capable de détecter des ondes gravitationnelles avec des longueurs d'onde d'environ 18 millions de miles (30 millions de km) à partir des fusions de trous noirs 10 000 à 10 millions de fois la masse du soleil, a déclaré Miller. L'espoir est que LISA et des projets similaires proposés, tels que TianQin de Chine, puissent aider à faire la lumière sur les fusions de galaxies.

'Nous pouvons apprendre comment les galaxies et les trous noirs supermassifs s'assemblent', a déclaré Miller.

En rapport: 8 mystères déroutants de l'astronomie

Attendez-vous à l'inattendu

Cependant, ce que les scientifiques attendent probablement le plus avec les observatoires d'ondes gravitationnelles, c'est l'inattendu. 'Nous pouvons voir des types imprévus de sources d'ondes gravitationnelles, ou voir les sources que nous connaissions généralement avec des rebondissements qui pourraient nous surprendre', a déclaré Miller.

Par exemple, les cœurs des trous noirs sont des points infiniment denses, infiniment petits appelés singularités. Et les chercheurs soupçonnent depuis longtemps que des anneaux infiniment denses et infiniment minces appelés cordes cosmiques pourraient également exister. 'Si les cordes cosmiques sont réelles, nous pourrons peut-être en détecter les ondes gravitationnelles sur une large gamme d'énergies', a déclaré Miller.

De plus, les scientifiques ont longtemps suggéré l'existence possible de trous noirs primordiaux, nés moins d'une seconde après le Big Bang, lorsque des amas denses de l'univers nouveau-né se sont effondrés sous leur propre gravité. De tels trous noirs auraient des masses identiques à celles des astéroïdes ou des planètes.

'Si nous voyions des ondes gravitationnelles provenant de quelque chose, disons, la moitié de la masse du soleil, il n'y aurait pas d'autre moyen de les produire que des trous noirs primordiaux', a déclaré Miller.

De plus, certains physiciens ont suggéré que les trous noirs n'existent peut-être pas réellement. S'ils ne le font pas, les observatoires d'ondes gravitationnelles pourraient découvrir leur nature réelle, a déclaré Miller.

En général, les chercheurs pensent que la plupart des trous noirs se forment lorsque les étoiles massives finissent de brûler leur carburant et s'effondrent rapidement sous leur propre poids, s'écrasant en des singularités cachées par des frontières invisibles connues sous le nom d'horizons d'événements à partir desquels rien ne peut revenir. (Le télescope Event Horizon a récemment obtenu le premier regard à l'un de ces points de non-retour récemment, en imaginant la limite du trou noir supermassif au cœur de la galaxie M87.)

Cependant, la possibilité de singularités se heurte aux lois de la physique suggérant que la destruction des informations est impossible, y compris les informations codées dans tout ce qui tombe dans les trous noirs.

En tant que tels, les physiciens ont suggéré que lorsque des étoiles massives meurent, elles peuvent à la place former des structures avec des noms tels que ' étoiles noires ' et 'gravastars.' Ces alternatives ressemblent à des trous noirs à presque tous les égards, mais manquent de singularités et d'horizons d'événements, évitant ainsi les énigmes que ces aspects des trous noirs soulèvent.

Une façon de savoir s'il existe des alternatives aux trous noirs consiste à analyser les ondes gravitationnelles déclenchées par ce que les scientifiques pensent actuellement être la fusion des trous noirs. Lorsque les trous noirs se rapprochent les uns des autres, ils devraient chacun émettre des ondes gravitationnelles, mais leurs horizons d'événements devraient absorber celles qui leur tombent directement dessus. Cependant, étant donné que les alternatives aux trous noirs manquent d'horizons d'événements, elles peuvent refléter les ondes gravitationnelles, et les observatoires d'ondes gravitationnelles pourraient détecter ces « échos », a déclaré Miller.

Si de tels échos sont découverts, ils pourraient donner un aperçu à la fois de la relativité générale et de la physique quantique. Cela pourrait finalement aider à conduire à un modèle de «gravité quantique» mariant les deux théories longtemps disparates, a ajouté Miller.

Miller et son collègue Nicolás Yunes, de la Montana State University à Bozeman, détaillé cette recherche en ligne le 24 avril dans la revue Nature.

Suivez Charles Q. Choi sur Twitter @cqchoi . Suivez-nous sur Twitter @Spacedotcom ou Facebook .