Une nouvelle onde gravitationnelle "vrombissement" peut provenir des plus grands trous noirs de l'univers.

Sous les explosions, les collisions et autres bruits intermittents dans le cosmos, les scientifiques soupçonnent qu'une bande sonore non-stop joue, créée par des ondulations dans l'espace-temps qui traversent continuellement l'univers. Après plus d'une décennie de recherche, les scientifiques ont peut-être enfin entendu ce bourdonnement de fond.

Plusieurs équipes de chercheurs du monde entier ont rapporté le 28 juin les premières preuves claires de ces ondes gravitationnelles. Contrairement aux ondes gravitationnelles précédemment détectées, celles-ci ont des ondulations étonnamment longues - à l'échelle des années-lumière. Leur source probable : d'innombrables paires de trous noirs gigantesques, qui brassent le chaudron de l'espace-temps en orbite autour l'un de l'autre.

Si cette intuition est correcte, cela fournirait la première preuve que des paires de trous noirs géants, ayant des masses de plusieurs milliards de fois celle du soleil, peuvent fusionner en un seul.

Si les ondes gravitationnelles sont réelles, et si elles sont vraiment un signal de paires de trous noirs supermassifs, "c'est miraculeux", déclare l'astrophysicienne Meg Urry de l'Université de Yale. "C'est extrêmement intéressant, car nous n'avons pratiquement aucun moyen de savoir ce que font les trous noirs les plus massifs."

Les ondes gravitationnelles sont produites par des objets massifs et accélérants. Alors que ces ondes déferlent à travers l'univers, elles froissent la trame de l'espace-temps sur laquelle la réalité est brodée. En 2015, les scientifiques de l'Observatoire Gravitational-Wave Interferometer, ou LIGO, ont détecté pour la première fois des ondes gravitationnelles (SN: 11/02/16). Ces ondes étaient générées par des fusions de trous noirs relativement petits, des bêtes totalement différentes des supermassifs qui rôdent au centre des galaxies (SN: 11/02/16).

Alors que LIGO capte des sursauts d'ondes gravitationnelles qui ne durent que quelques fractions de seconde, on s'attend à ce que les trous noirs supermassifs en orbite émettent continuellement des ondes pendant des millions d'années, créant des ondulations qui recouvrent l'univers avec leur bourdonnement constant. "C'est une chose très différente, une chose très nouvelle", explique Daniel Holz, chercheur du LIGO et astrophysicien à l'Université de Chicago. "C'est génial."

À travers l'univers, les galaxies se rencontrent et se fusionnent régulièrement. Pendant ce processus, on supposait que leurs trous noirs supermassifs s'orbiteraient et émettraient des ondes gravitationnelles. De nombreuses paires de trous noirs dansent cette valse orbitale dans les galaxies qui fusionnent nombreuses à travers le cosmos, toutes envoyant leurs ondulations d'espace-temps dans l'espace.

"La Terre se balade au hasard sur cette mer d'ondes gravitationnelles", explique l'astrophysicienne Maura McLaughlin de l'Université de Virginie-Occidentale et membre de l'Observatoire Nord-Américain des Ondes Gravitationnelles à NanoHertz, ou NANOGrav.

Détecter ce mélange d'ondes gravitationnelles n'est pas facile. La tâche a nécessité que les scientifiques adaptent la Voie lactée, transformant la galaxie en détecteur d'ondes gravitationnelles en synchronisant les pulsars, les restes de stars explosées qui émettent des faisceaux d'ondes radio en tournant. Ces faisceaux balayent régulièrement la Terre, comme les battements précis d'une horloge. Les ondes gravitationnelles qui étirent et compriment l'espace entre les pulsars et la Terre font décaler en avance ou en retard les pulsations des pulsars, observées avec une variété de radiotélescopes à travers le monde.

Pour s'assurer qu'ils observaient bien les ondes gravitationnelles, et non des fluctuations inintéressantes, les chercheurs ont recherché un type spécial de corrélation entre les différents pulsars. Les pulsars proches les uns des autres dans le ciel devraient montrer des décalages de synchronisation similaires, mais ceux qui sont à angle droit les uns des autres devraient observer des décalages opposés : les impulsions lumineuses d'un pulsar viennent en avance tandis que celles de l'autre viennent en retard.

Ce trait caractéristique convaincant a enfin été observé, ont rapporté les chercheurs de NANOGrav le 28 juin dans l'Astrophysical Journal Letters. "Il n'y a rien dans la nature qui puisse imiter cela", déclare Chiara Mingarelli, astrophysicienne à l'Université de Yale et chercheuse de NANOGrav. "Seules les ondes gravitationnelles peuvent le faire." Leur résultat était basé sur 15 ans de surveillance de dizaines de pulsars.

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"C'est vraiment stimulant", explique Michael Keith, astrophysicien à l'Université de Manchester en Angleterre, et membre de l'European Pulsar Timing Array, ou EPTA.

L'équipe de l'EPTA a observé les pulsars pendant encore plus longtemps - un quart de siècle. "Nous commençions à penser que le signal était si faible que nous ne le trouverions jamais", déclare Keith. Mais la corrélation caractéristique entre les pulsars était également évidente dans les résultats de l'EPTA, qui ont été rapportés le 28 juin dans Astronomy and Astrophysics avec des chercheurs de l'Indian Pulsar Timing Array.

Some scientists have thought that supermassive black holes in merging galaxies would never draw close enough to coalesce with one another, or to emit gravitational waves like the ones observed. “It’s actually been a sore spot for our field for many years,” Mingarelli says.

In contrast, the gravitational wave signal seems to be stronger than expected (SN: 6/3/23). That suggests, “there are many black holes, they merge happily, and black holes also grow [to large masses] very happily,” says astrophysicist Marta Volonteri of Institut d’Astrophysique de Paris, who was not involved with the new research.

Future work could reveal more about supermassive black holes and their environs, says astronomer Ryan Shannon of Swinburne University of Technology in Melbourne, Australia.

“Understanding better the demographics of these supermassive black holes is going to help us understand how galaxies form and evolve,” says Shannon, a researcher on the Parkes Pulsar Timing Array in Australia, which also reported independent results in the Astrophysical Journal Letters and Publications of the Astronomical Society of Australia. A shorter-term effort, from the Chinese Pulsar Timing Array, reported its results in Research in Astronomy and Astrophysics.

The teams stopped just short of declaring an ironclad detection of the background of gravitational waves, rather presenting their results as strong evidence for the ripples. Taken individually, their results don’t quite meet the most stringent standards for statistical significance set by physicists. In future work, the teams plan to combine their data, in hopes of further solidifying the detection.

And although supermassive black holes are the simplest explanation for the waves’ origins, researchers still can’t rule out a more exotic provenance. For example, the ripples might have arisen from inflation, the period just after the Big Bang when the universe is thought to have expanded incredibly rapidly (SN: 7/13/12).

Whatever the source, the future study of these gravitational waves is bound to have ripple effects.

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