La révolution dans notre compréhension du ciel nocturne et de notre place dans l'univers a commencé lorsque nous sommes passés de l'utilisation de l'œil nu au télescope en 1609. Quatre siècles plus tard, les scientifiques connaissent une transition similaire dans leur connaissance des trous noirs en recherchant des ondes gravitationnelles.

À la recherche de trous noirs non détectés auparavant qui sont des milliards de fois plus massifs que le soleil, Stephen Taylor, professeur adjoint de physique et d'astronomie et ancien astronome au Jet Propulsion Laboratory (JPL) de la NASA, en collaboration avec l'Observatoire nord-américain de nanohertz pour les ondes gravitationnelles (NANOGrav) a fait avancer le domaine de la recherche en trouvant l'emplacement précis, le centre de gravité de notre système solaire - avec lequel mesurer les ondes gravitationnelles qui signalent l'existence de ces trous noirs.

Le potentiel présenté par cette avancée, co-écrit par Taylor, a été publié dans la revue le Journal d'astrophysique en avril 2020.

Les trous noirs sont des régions de pure gravité formées à partir d'un espace-temps extrêmement déformé. Trouver les trous noirs les plus titanesques de l'Univers qui se cachent au cœur des galaxies nous aidera à comprendre comment ces galaxies (y compris la nôtre) ont grandi et évolué au cours des milliards d'années depuis leur formation. Ces trous noirs sont également des laboratoires inégalés pour tester des hypothèses fondamentales sur la physique.

Les ondes gravitationnelles sont des ondulations dans l'espace-temps prédites par la théorie de la relativité générale d'Einstein. Lorsque les trous noirs orbitent par paires, ils émettent des ondes gravitationnelles qui déforment l'espace-temps, espace d'étirement et de compression. Les ondes gravitationnelles ont été détectées pour la première fois par le Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO) en 2015, ouvrant de nouvelles perspectives sur les objets les plus extrêmes de l'univers. Alors que LIGO observe des ondes gravitationnelles relativement courtes en recherchant des changements dans la forme d'un détecteur de 4 km de long, NANOGrav, un centre des frontières de la physique de la National Science Foundation (NSF), cherche des changements dans la forme de toute notre galaxie.

Taylor et son équipe recherchent des changements dans le taux d'arrivée des flashs réguliers d'ondes radio des pulsars. Ces pulsars sont des étoiles à neutrons en rotation rapide, certains vont aussi vite qu'un mixeur de cuisine. Ils envoient également des faisceaux d'ondes radio, apparaissant comme des phares interstellaires lorsque ces faisceaux balaient la Terre. Plus de 15 ans de données ont montré que ces pulsars sont extrêmement fiables dans leurs taux d'arrivée d'impulsions, agissant comme des horloges galactiques exceptionnelles. Tout écart de synchronisation corrélé entre bon nombre de ces pulsars pourrait signaler l'influence des ondes gravitationnelles déformant notre galaxie.

"En utilisant les pulsars que nous observons à travers la galaxie de la Voie lactée, nous essayons d'être comme une araignée immobile au milieu de sa toile, " explique Taylor. " Notre compréhension du barycentre du système solaire est cruciale alors que nous essayons de détecter le moindre picotement sur le Web. " Le barycentre du système solaire, son centre de gravité, est l'endroit où les masses de toutes les planètes, lunes, et les astéroïdes s'équilibrent.

Où est le centre de notre web, l'emplacement de l'immobilité absolue dans notre système solaire ? Pas au centre du soleil comme beaucoup pourraient le croire, il est plutôt plus proche de la surface de l'étoile. Cela est dû à la masse de Jupiter et à notre connaissance imparfaite de son orbite. Il faut 12 ans à Jupiter pour orbiter autour du soleil, juste en dessous des 15 années que NANOGrav a collecté des données. La sonde Galileo du JPL (du nom du célèbre scientifique qui a utilisé un télescope pour observer les lunes de Jupiter) a étudié Jupiter entre 1995 et 2003, mais a connu des problèmes techniques qui ont eu un impact sur la qualité des mesures prises au cours de la mission.

L'identification du centre de gravité du système solaire a longtemps été calculée avec des données de suivi Doppler pour obtenir une estimation de l'emplacement et des trajectoires des corps en orbite autour du soleil. "Le hic, c'est que les erreurs dans les masses et les orbites se traduiront par des artefacts de synchronisation des pulsars qui pourraient bien ressembler à des ondes gravitationnelles, " explique l'astronome et co-auteur du JPL Joe Simon.

Taylor et ses collaborateurs ont découvert que travailler avec des modèles de système solaire existants pour analyser les données NANOGrav donnait des résultats incohérents. "Nous n'avons rien détecté de significatif dans nos recherches d'ondes gravitationnelles entre les modèles du système solaire, mais nous obtenions de grandes différences systématiques dans nos calculs, " note l'astronome du JPL et auteur principal de l'article, Michele Vallisneri. " En règle générale, plus de données donne un résultat plus précis, mais il y avait toujours un décalage dans nos calculs."

Le groupe a décidé de rechercher le centre de gravité du système solaire en même temps que de rechercher les ondes gravitationnelles. Les chercheurs ont obtenu des réponses plus solides pour trouver des ondes gravitationnelles et ont pu localiser plus précisément le centre de gravité du système solaire à moins de 100 mètres. Pour comprendre cette échelle, si le soleil avait la taille d'un terrain de football, 100 mètres serait le diamètre d'une mèche de cheveux. "Notre observation précise des pulsars dispersés à travers la galaxie nous a localisés dans le cosmos mieux que jamais auparavant, " dit Taylor. " En trouvant les ondes gravitationnelles de cette façon, en plus d'autres expériences, nous obtenons une vue d'ensemble plus holistique de tous les différents types de trous noirs dans l'Univers."

Alors que NANOGrav continue de collecter des données de synchronisation des pulsars toujours plus abondantes et précises, les astronomes sont convaincus que des trous noirs massifs apparaîtront bientôt et sans équivoque dans les données.