Combining astrometry with pulsar timing: the first joint analysis of very low frequency gravitational waves
Cet article présente la première analyse conjointe des données astrométriques de Gaia et du chronométrage de pulsars binaires pour la recherche d'ondes gravitationnelles continues à ultra-basse fréquence, ne trouvant aucune détection significative mais établissant les limites supérieures les plus strictes à ce jour sur l'amplitude de déformation dans la bande pHz tout en démontrant la puissance de la combinaison d'observables orthogonales pour lever les dégénérescences spatiales.
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Depuis des décennies, l'univers murmure ses secrets les plus profonds à travers des ondulations dans le tissu même de l'espace-temps. Ces ondulations, connues sous le nom d'ondes gravitationnelles, naissent lorsque des objets massifs comme des trous noirs entrent en collision ou spiralent l'un vers l'autre. Bien que les détecteurs sur Terre aient réussi à capturer les gazouillis aigus et rapides de ces collisions, une vaste gamme de fréquences silencieuses reste largement inexplorée. C'est le domaine du très lent, du très bas, où les ondes s'étirent sur des années, voire des millénaires. Dans cette zone de calme, les scientifiques soupçonnent qu'ils pourraient trouver l'approche lente et gracieuse de trous noirs supermassifs bien avant qu'ils ne s'écrasent, ou peut-être même des échos de la naissance même du cosmos. Pour entendre ces signaux ténus, les chercheurs doivent chercher les dérives subtiles et à long terme qu'ils provoquent dans la position des étoiles lointaines et dans le tic-tac des horloges cosmiques, plutôt que les secousses soudaines d'une collision.
Une équipe d'astronomes a maintenant franchi la première étape pour écouter cette fréquence lente en combinant deux manières très différentes d'observer le ciel. Ils ont réuni les données d'un télescope spatial qui cartographie la position de millions de galaxies lointaines et un réseau de pulsars — des étoiles à neutrons tournant rapidement qui agissent comme les horloges les plus précises de la galaxie. En fusionnant ces deux ensembles d'observations indépendantes, les chercheurs ont créé une nouvelle méthode pour traquer le bourdonnement continu et à basse fréquence des ondes gravitationnelles. Leur objectif était de voir si la dérive lente de ces objets cosmiques correspondait au motif attendu d'une onde passante, ou si l'univers restait silencieux dans cette bande spécifique.
Les chercheurs ont commencé par rassembler une collection massive de données. À partir de la mission Gaia de l'Agence spatiale européenne, ils ont utilisé un catalogue contenant les mouvements mesurés d'environ 1,5 million de quasars. Ce sont les cœurs brillants et actifs de galaxies lointaines, si éloignées que leur propre mouvement est négligeable ; tout changement dans leur position apparente est probablement dû à des forces externes. Simultanément, ils ont recueilli des données de chronométrage de onze systèmes de pulsars binaires, où un pulsar orbite autour d'une étoile compagne. Dans ces systèmes, le temps nécessaire pour qu'un pulsar complète une orbite peut être mesuré avec une précision extrême. Si une onde gravitationnelle passe, elle devrait légèrement accélérer ou ralentir l'orbite, tout comme elle devrait bousculer la position apparente des quasars lointains.
Pour que cette comparaison fonctionne, l'équipe a dû être extrêmement prudente afin d'exclure d'autres causes pour ces mouvements. Les étoiles et les pulsars ne se déplacent pas dans un vide parfait ; ils sont influencés par la gravité de notre propre galaxie la Voie Lactée, le mouvement de notre système solaire et la rotation naturelle des pulsars eux-mêmes. Les chercheurs ont construit un modèle complexe pour tenir compte de tous ces effets connus, y compris l'incertitude sur la masse et la forme de l'attraction gravitationnelle de la galaxie. Ils ont également dû filtrer le « bruit » des instruments et les particularités du processus de collecte des données. Ce n'est qu'après avoir éliminé ces influences connues qu'ils ont pu rechercher la signature ténue d'une onde gravitationnelle.
Lorsque l'équipe a combiné les données des quasars et des pulsars, elle n'a trouvé aucune preuve des ondes gravitationnelles continues qu'elle traquait. Les mouvements des étoiles et le chronométrage des pulsars étaient cohérents avec ce qui se passerait si de telles ondes étaient absentes. L'analyse statistique a montré que les données ne soutenaient pas l'existence d'un signal dans cette gamme de fréquences. Au lieu de trouver un signal, les chercheurs ont utilisé ce silence pour fixer une nouvelle limite plus stricte sur la force que de telles ondes pourraient potentiellement avoir. Ils ont déterminé que si ces ondes existent à la fréquence étudiée, leur force doit être inférieure à une valeur spécifique et incroyablement petite. Cette limite est plus serrée que toute tentative précédente de mesurer ce type spécifique d'onde, améliorant les résultats précédents d'environ 20 à 30 pour cent.
L'étude a également regardé vers l'avenir, utilisant des simulations informatiques pour prédire ce qui se passerait lorsque la prochaine publication majeure de données du télescope Gaia sera disponible. Avec plus d'années d'observation et des mesures plus précises, les modèles de l'équipe suggèrent que cette approche combinée pourrait bientôt devenir assez sensible pour détecter des ondes encore plus faibles que leur limite actuelle. Ils ont découvert qu'avec les données à venir, la méthode pourrait potentiellement franchir une barrière de sensibilité significative, ouvrant la porte à la détection d'ondes qui sont jusqu'à présent invisibles. Bien que la recherche actuelle soit restée infructueuse, la méthode elle-même s'est avérée réussie, démontrant que combiner la carte du ciel des galaxies lointaines avec le tic-tac des horloges cosmiques est un moyen puissant d'explorer les fréquences les plus calmes de l'univers.
Ce travail représente un nouveau chapitre dans la recherche des ondes gravitationnelles, allant au-delà des crashs bruyants des collisions de trous noirs pour écouter l'approche lente et constante des géants. En prouvant que deux types différents de données astronomiques peuvent être tissés ensemble pour créer une oreille plus sensible, les chercheurs ont ouvert la voie à de futures découvertes. Même s'ils n'ont pas trouvé les ondes cette fois, ils ont affûté les outils nécessaires pour les trouver, nous rapprochant de la compréhension de la danse cachée et au ralenti des objets les plus massifs de l'univers.
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