Les astronomes le traquaient depuis un quart de siècle: le bruit de fond émis par le tourbillon de gigantesques trous noirs a été identifié grâce à une technique inédite de détection des ondes gravitationnelles, qui ouvre « une nouvelle fenêtre sur l’Univers ».
Ces résultats, dévoilés jeudi, sont le fruit d’une vaste collaboration des plus grands radiotélescopes du monde.
Ils ont réussi à capter cette vibration de l’Univers avec « la précision d’une horloge », s’enthousiasment les auteurs des travaux parus simultanément dans plusieurs revues scientifiques.
Prédites par Einstein en 1916 et détectées cent ans plus tard, les ondes gravitationnelles sont d’infimes déformations de l’espace-temps, semblables à des ondulations de l’eau à la surface d’un étang. Ces oscillations, qui se propagent à la vitesse de la lumière, naissent sous l’effet d’événements cosmiques violents tels que la collision de deux trous noirs.
Elles ont beau être liées à des phénomènes massifs, leur signal est extrêmement ténu. En 2015, les détecteurs d’ondes gravitationnelles Ligo (Etats-Unis) et Virgo (Europe) ont révolutionné l’astrophysique en détectant le frémissement ultra-bref – moins d’une seconde – de collisions entre des trous noirs stellaires, d’une dizaine de fois la masse du Soleil.
Cette fois, un signal bien plus étiré dans le temps trahit un phénomène à plus grande échelle, capté par un réseau de radiotélescopes (d’Europe, d’Amérique du Nord, d’Inde, d’Australie et de Chine) du consortium International Puslar Timing Array (IPTA).
On parle ici d’ondes gravitationnelles générées par des trous noirs de « plusieurs millions à plusieurs milliards de fois la masse du Soleil », dit à l’AFP Gilles Theureau, astronome à l’Observatoire de Paris-PSL, qui a coordonné les travaux côté français.
Le « tic-tac » des pulsars
Pour détecter ces ondes, les scientifiques ont utilisé un outil inédit: des pulsars de la Voie lactée. Ces étoiles ont la particularité d’avoir une masse d’un à deux Soleil, comprimée dans une sphère d’une dizaine de km de diamètre.
Ultra-compacts, ces astres tournent sur eux-mêmes à grande vitesse, -jusqu’à 700 tours par seconde-, précise le chercheur du CNRS. Une folle rotation qui produit un rayonnement magnétique aux pôles, comme les faisceaux d’un phare, décelable grâce aux ondes radio émises à basses fréquences.
A chaque tour, les pulsars envoient des « bip » ultra-réguliers, qui en font de « remarquables horloges naturelles », explique Lucas Guillemot, du laboratoire de physique et de chimie de l’environnement et de l’espace (LPC2E) d’Orléans.
Les scientifiques ont répertorié des groupes de pulsars, pour obtenir un « maillage céleste » dans les méandres de l’espace-temps.
Et ont pu mesurer un infime dérèglement dans leur tic-tac, avec « des changements inférieurs à un millionième de seconde sur plus de 20 ans », selon Antoine Petiteau, du Commissariat à l’énergie atomique(CEA).
Ces retards étaient corrélés, marque d’une « perturbation commune à tous les pulsars », selon Gilles Theureau: la signature caractéristiques des ondes gravitationnelles. « C’était un moment magique », a raconté lors d’une conférence de presse Maura McLaughlin, du réseau américain Pulsar Search Collaboratory.
Comme dans un restaurant bruyant
Quelle est la source de ces ondes ? L’hypothèse privilégiée pointe vers des couples de trous noirs supermassifs, chacun d’une taille supérieure à celle de notre système solaire, « prêts à se percuter », développe Gilles Theureau.
Antoine Petiteau décrit deux colosses qui « se tournent autour avant de fusionner », une danse qui provoque des ondes gravitationnelles d' »une période de plusieurs mois à plusieurs années ».
Un bruit de fond en continu que Michael Keith, du réseau européen EPTA (European Pulsing Timing Array), compare à un « restaurant bruyant avec beaucoup de gens parlant autour de vous ».
Les mesures ne permettent pas encore de dire si ce bruit trahit la présence de quelques couples de trous noirs, ou de toute une population. Une autre hypothèse suggère une source aux tous premiers âges de l’Univers, lorsqu’il a connu une période dite d’inflation.
« Nous ouvrons une nouvelle fenêtre sur l’Univers », se félicite Gilles Theureau. « On rajoute une nouvelle gamme de vecteurs d’informations », complémentaire aux recherches de Ligo et Virgo, qui opèrent sur des longueurs d’ondes différentes, abonde Antoine Petiteau. Cela pourrait notamment éclaircir le mystère de la formation des trous noirs supermassifs.
Les études devront cependant être approfondies pour prétendre à une détection pleinement robuste, espérée d’ici un an. Le critère absolu étant « qu’il y ait moins d’une chance sur un million que cela se produise par hasard », soulignent l’Observatoire de Paris, le CNRS, le CEA et les université d’Orléans et Paris Cité, dans un communiqué.
