Les pulsars révèlent le souffle de l’Espace-Temps

Dans une série d’articles publiés aujourd’hui dans la revue Astronomy and Astrophysics, des scientifiques de l’European Pulsar Timing Array (EPTA), en collaboration avec des collègues indiens et japonais de l’Indian Pulsar Timing Array (InPTA), rapportent les résultats obtenus en analysant les données recueillies dans plus de 25 ans, qui promettent de mener à des découvertes sans précédent dans l’étude de la formation et de l’évolution de notre Univers et des galaxies qui le peuplent. “Les résultats présentés aujourd’hui par la collaboration EPTA sont extraordinaires pour leur importance scientifique et pour les perspectives futures de consolidation ultérieure des résultats”, commente Marco Tavani, président de l’INAF. “L’astrophysique italienne et l’INAF sont des leaders mondiaux dans une grande entreprise visant à explorer le Cosmos avec des ondes gravitationnelles, une ligne de recherche qui verra l’Italie comme protagoniste dans les années à venir”.

EPTA est une collaboration de scientifiques de onze institutions à travers l’Europe, dont deux en Italie (INAF avec son siège à Cagliari et l’Université de Milano-Bicocca), et rassemble des astronomes et des physiciens théoriciens, afin d’utiliser des observations d’impulsions ultra-régulières à partir d’étoiles à neutrons appelées “pulsars” pour construire un détecteur d’ondes gravitationnelles de la taille de notre Galaxie. En fait, les pulsars se comportent comme des horloges naturelles de haute précision et par la mesure répétée de très petites variations (moins d’un millionième de seconde et corrélées entre elles) dans les temps d’arrivée de leurs impulsions, il est possible de mesurer les expansions infimes et compressions de l’espace-temps causées par le passage des ondes gravitationnelles de l’Univers lointain. Ce gigantesque détecteur d’ondes gravitationnelles – qui s’étend de la Terre en direction de 25 pulsars, sélectionnés au sein de notre Voie lactée et à des milliers d’années-lumière de nous – permet de sonder un type d’ondes gravitationnelles au rythme très lent, correspondant à des longueurs d’onde énormément plus longues que celles observées, à partir de 2015, par les soi-disant interféromètres à ondes gravitationnelles, parmi lesquels Virgo à Cascina (près de Pise) et LIGO aux États-Unis se distinguent.

A l’INAF de Cagliari, l’enthousiasme est palpable “Grâce aux observations de l’EPTA, nous ouvrons une nouvelle fenêtre sur l’univers des ondes gravitationnelles ultra-longues (correspondant à des fréquences d’oscillation d’un milliardième de Hertz) qui sont associées à des sources et des phénomènes uniques” , explique la chercheuse Caterina Tiburzi. Ma collègue Marta Burgay souligne “Ces ondes gravitationnelles nous permettent d’étudier certains des mystères jusqu’ici non résolus de l’évolution de l’Univers, y compris, par exemple, les propriétés de la population cosmique insaisissable des systèmes binaires formés par deux trous noirs supermassifs, ayant masses des milliards de fois supérieures à celle du Soleil. Ces trous noirs se trouvent en orbite au centre de galaxies qui fusionnent les unes avec les autres, et pendant leur orbite, la théorie générale de la relativité d’Albert Einstein prédit qu’ils émettent des ondes gravitationnelles ultra-longues. Les instruments utilisés pour collecter les données sont le radiotélescope d’Effelsberg en Allemagne, le télescope Lovell de l’observatoire de Jodrell Bank au Royaume-Uni, le radiotélescope de Nancay en France, le radiotélescope de synthèse Westerbork aux Pays-Bas et le radiotélescope de Sardaigne ( SRT) en Italie. “Ces résultats – ajoute l’astronome Delphine Perrodin, également de l’INAF de Cagliari – sont basés sur des décennies de campagnes d’observation minutieuses et inlassables menées à l’aide des cinq plus grands radiotélescopes d’Europe. De plus, une fois par mois, les données de ces télescopes sont également additionnées, augmentant encore la sensibilité de l’expérience ». Ces observations ont ensuite été complétées par des données fournies par le radiotélescope géant Metrewave en Inde, rendant ainsi l’ensemble de données encore plus précis.

“C’est une grande satisfaction pour toute l’astrophysique italienne que SRT, le grand radiotélescope géré par l’INAF, soit parmi les témoins de l’émergence dans les données de ce souffle lent de l’espace-temps”, explique Andrea Possenti, chercheur principal de l’INAF de Cagliari et parmi les fondateurs de l’EPTA, aux côtés de l’ancien président de l’Institut national d’astrophysique Nichi D’Amico : “C’est un nouveau grand résultat scientifique, qui confirme, au niveau mondial, le rôle central de l’Italie, et de plus en plus de Sardaigne (avec SRT et, espérons-le, bientôt aussi avec le télescope Einstein), dans l’étude des ondes gravitationnelles pour de nombreuses décennies à venir”. Les résultats de l’EPTA se comparent à une série de publications indépendantes annoncées aujourd’hui en parallèle par d’autres collaborations à travers le monde, les expériences australiennes, chinoises et nord-américaines de réseau de synchronisation de pulsars (PTA) connues sous le nom de PPTA, CPTA et NANOGrav, respectivement. Les différents résultats sont cohérents dans toutes les collaborations, corroborant davantage la présence dans les données d’un signal dû aux ondes gravitationnelles. Cependant, le travail ne s’arrête pas là, car la nature même du signal observé exige qu’il se manifeste de manière de plus en plus claire. “J’ai commencé mon doctorat au bon moment – se souvient Francesco Iraci, doctorant à l’Université de Cagliari qui mène ses recherches à l’INAF de Cagliari depuis environ un an précisément dans le cadre de l’EPTA – et j’ai hâte pour contribuer à “l’affinement ultérieur des données”.

En effet, dans le but de proclamer définitivement la découverte d’un nouveau phénomène, il est de bonne pratique en physique que le résultat de l’expérience ait une probabilité de se produire au hasard moins d’une fois dans un million de cas. Le résultat rapporté par l’EPTA – ainsi que par d’autres collaborations internationales – est proche, mais ne satisfait toujours pas pleinement ce critère : en fait, il y a encore environ une probabilité sur mille que des sources de bruit aléatoires conspirent pour générer le signal. Après avoir terminé leurs analyses de manière indépendante, les chercheurs des quatre collaborations – EPTA, InPTA, PPTA et NANOGrav – combinent désormais directement leurs données au sein de la coordination de l’International Pulsar Timing Array. L’objectif est d’exploiter les mesures effectuées sur un échantillon total de plus de 100 pulsars, observés avec treize radiotélescopes à travers le monde. L’augmentation de la quantité et de la qualité des données devrait donc fournir aux astronomes la preuve irréfutable qu’une nouvelle ère dans l’exploration de l’Univers a commencé.