La Lune est-elle le bon endroit pour un nouvel observatoire d’ondes gravitationnelles ? Ça pourrait être. L'envoi de télescopes dans l'espace a bien fonctionné, et l'installation d'un observatoire GW sur la Lune pourrait également l'être, même si la proposition est évidemment très complexe.

L’essentiel de l’astronomie concerne la lumière. Mieux nous le ressentons, plus nous en apprenons sur la nature. C'est pourquoi des télescopes comme Hubble et JWST sont dans l'espace. L'atmosphère terrestre déforme les images des télescopes et bloque même une partie de la lumière, comme l'infrarouge. Les télescopes spatiaux résolvent ces deux problèmes et ont révolutionné l'astronomie.

Les ondes gravitationnelles ne sont pas légères, mais leur détection nécessite néanmoins une extrême sensibilité. Tout comme l'atmosphère terrestre peut introduire du « bruit » dans les observations au télescope, l'activité sismique terrestre peut également causer des problèmes aux détecteurs d'ondes gravitationnelles. La Lune a un gros avantage sur notre planète dynamique et en constante évolution :elle a beaucoup moins d'activité sismique.

Nous savons depuis l’époque d’Apollo que la Lune a une activité sismique. Mais contrairement à la Terre, la majeure partie de son activité est liée aux forces de marée et aux minuscules impacts de météorites. La majeure partie de son activité sismique est également plus faible et beaucoup plus profonde que celle de la Terre. Cela a attiré l'attention des chercheurs développant l'antenne à ondes gravitationnelles lunaires (LGWA).

Les développeurs de la LGWA ont rédigé un nouvel article, "L'antenne à ondes gravitationnelles lunaires :études de mission et cas scientifique", et l'ont publié sur arXiv. serveur de préimpression. L'auteur principal est Parameswaran Ajith, physicien/astrophysicien du Centre international des sciences théoriques, Institut Tata de recherche fondamentale, Bangalore, Inde. Ajith est également membre de la collaboration scientifique LIGO.

Un observatoire d'ondes gravitationnelles (GWO) sur la Lune comblerait une lacune dans la couverture des fréquences.

"Compte tenu de la taille de la Lune et du bruit attendu produit par le fond sismique lunaire, le LGWA serait capable d'observer des GW d'environ 1 MHz à 1 Hz", écrivent les auteurs. "Cela ferait du LGWA le chaînon manquant entre les détecteurs spatiaux comme LISA avec des sensibilités maximales de l'ordre de quelques millihertz et les futurs détecteurs terrestres proposés comme le télescope Einstein ou le Cosmic Explorer."

S’il est construit, le LGWA consisterait en un ensemble de détecteurs à l’échelle planétaire. Les conditions uniques de la Lune permettront à la LGWA d'ouvrir une plus grande fenêtre sur la science des ondes gravitationnelles. La lune a une activité sismique de fond extrêmement faible, que les auteurs décrivent comme un « silence sismique ». L'absence de bruit de fond permettra des détections plus sensibles.

La Lune a également des températures extrêmement basses à l’intérieur de ses régions d’ombre permanente (PSR). Les détecteurs doivent être surrefroidis, et les températures froides dans les PSR facilitent cette tâche. Le LGWA serait composé de quatre détecteurs dans un cratère PSR à l'un des pôles lunaires.

La LGWA est une idée ambitieuse dont les retombées scientifiques pourraient changer la donne. Lorsqu'elle est combinée avec des télescopes observant tout le spectre électromagnétique et avec des détecteurs de neutrinos et de rayons cosmiques (appelée astronomie multi-messagers), elle pourrait faire progresser notre compréhension d'une multitude d'événements cosmiques.

Le LGWA disposera de capacités uniques pour détecter les explosions cosmiques. "Seul LGWA peut observer des événements astrophysiques impliquant des WD (naines blanches) comme les événements de perturbation des marées (TDE) et SNe Ia", expliquent les auteurs. Ils soulignent également que seule la LGWA sera en mesure d'avertir les astronomes des semaines, voire des mois, à l'avance de la fusion de binaires compacts de masse solaire, y compris d'étoiles à neutrons.

Le LGWA sera également capable de détecter des binaires de trous noirs de masse intermédiaire (IMBH) plus légers dans l’univers primitif. Les IMBH ont joué un rôle dans la formation des trous noirs supermassifs (SMBH) actuels au cœur de galaxies comme la nôtre. Les astrophysiciens ont beaucoup de questions sans réponse concernant les trous noirs et leur évolution et la LGWA devrait aider à répondre à certaines d'entre elles.

Les fusions Double White Dwarf (DWD) en dehors de notre galaxie sont une autre chose que la LGWA seule sera capable de détecter. Ils peuvent être utilisés pour mesurer la constante de Hubble. Au fil des décennies, les scientifiques ont obtenu des mesures plus précises de la constante de Hubble, mais des divergences subsistent.

La LGWA nous en dira également plus sur la Lune. Ses observations sismiques révéleront la structure interne de la Lune de manière plus détaillée que jamais. Il y a encore beaucoup de choses que les scientifiques ignorent sur sa formation, son histoire et son évolution. Les observations sismiques de la LGWA éclaireront également les processus géologiques de la Lune.

La mission LGWA est toujours en cours de développement. Avant de pouvoir le mettre en œuvre, les scientifiques doivent en savoir plus sur l’endroit où ils envisagent de le placer. C'est là qu'intervient la mission préliminaire Soundcheck.

En 2023, l’ESA a sélectionné Soundcheck dans sa réserve d’activités scientifiques pour la Lune. Soundcheck ne mesurera pas seulement le déplacement sismique de la surface, les fluctuations magnétiques et la température, il s'agira également d'une mission de démonstration technologique. "La validation de la technologie Soundcheck se concentre sur le déploiement, la mécanique et la lecture des capteurs inertiels, la gestion thermique et la mise à niveau de la plate-forme", expliquent les auteurs.

En astronomie, en astrophysique, en cosmologie et dans les activités scientifiques connexes, il semble toujours que nous soyons au bord de nouvelles découvertes et d'une nouvelle compréhension de l'univers et de la manière dont nous nous y adaptons. La raison pour laquelle cela semble toujours être le cas, c'est parce que c'est vrai. Les humains s'améliorent de plus en plus dans ce domaine, et l'avènement et l'épanouissement de la science GW en sont un exemple, même si nous n'en sommes qu'au début. Pas même une décennie ne s'est écoulée depuis que les scientifiques ont détecté leur premier GW.

Où vont les choses à partir de maintenant ?

"Malgré cette feuille de route bien développée pour la science des GW, il est important de réaliser que l'exploration de notre univers à travers les GW en est encore à ses balbutiements", écrivent les auteurs dans leur article. "En plus de l'immense impact attendu sur l'astrophysique et la cosmologie, ce domaine présente une forte probabilité de découvertes inattendues et fondamentales."