Les astronomes utilisent des étoiles mortes pour mesurer les ondes gravitationnelles produites par les anciens trous noirs

Une équipe internationale d’astronomes a découvert une faible signal d’ondes gravitationnelles se répercutant dans l’univers. utilisant des étoiles mortes comme un réseau géant de Détecteurs d’ondes gravitationnellesCoopération – cela s’appelle nanographe– a pu mesurer un bourdonnement à basse fréquence à partir d’un chœur d’ondulations spatio-temporelles.

je astronome qui étudie et écrit à ce sujet CosmologieEt trous noirs Et planètes extérieures. j’ai regardé L’évolution des trous noirs supermassifs à l’aide du télescope spatial Hubble.

Bien que les membres de l’équipe à l’origine de cette nouvelle découverte ne soient pas encore sûrs, ils soupçonnent fortement que le bruit de fond des ondes gravitationnelles qu’ils ont mesurées a été causé par la fusion d’innombrables événements anciens de trous noirs supermassifs.

L’utilisation des étoiles mortes en cosmologie

ondes gravitationnelles Ce sont des ondulations dans l’espace-temps causées par des objets massifs qui accélèrent. Son existence a été prédite par Albert Einstein dans sa théorie générale de la relativité, où il a postulé que lorsqu’une onde gravitationnelle traverse l’espace, elle provoque une contraction puis une expansion périodique de l’espace.

Les chercheurs ont détecté pour la première fois des preuves directes d’ondes gravitationnelles en 2015, lorsque l’observatoire d’ondes gravitationnelles à interféromètre laser, connu sous le nom de LIGO, a capté un signal de Une paire de trous noirs fusionnés Il a parcouru 1,3 milliard d’années-lumière pour atteindre la Terre.

La collaboration NANOGrav tente également de détecter des ondulations spatio-temporelles, mais à une échelle interstellaire. L’équipe a utilisé des pulsars, qui orbitent rapidement autour d’étoiles mortes émettant un faisceau d’émissions radio. Un pulsar est fonctionnellement similaire à une balise en ce sens que lorsqu’il tourne, ses rayons peuvent balayer la Terre à périodes régulières.

L’équipe NANOGrav a utilisé ces pulsars Rotation incroyablement rapide– jusqu’à 1 000 fois par seconde – et ces impulsions peuvent être chronométrées comme les battements d’un Une horloge cosmique très précise. Lorsque les ondes gravitationnelles balayent un pulsar à la vitesse de la lumière, les ondes se dilatent très légèrement et réduisent la distance entre le pulsar et la Terre, ce qui entraîne une légère modification du temps entre les ticks.

Les pulsars sont des horloges si précises qu’il est possible de mesurer leurs ticks à moins de 100 nanosecondes. Cela permet aux astronomes de calculer la distance entre le pulsar et la Terre vers l’intérieur 100 pieds (30 mètres). Les ondes gravitationnelles modifient la distance entre ces pulsars et la Terre de dizaines de kilomètres, ce qui rend les pulsars suffisamment sensibles pour détecter cet effet.

Trouvez le bourdonnement dans la cacophonie

La première chose que l’équipe de NANOGrav devait faire était de contrôler le Bruit dans un détecteur d’ondes gravitationnelles cosmiques. Cela comprenait le bruit dans les récepteurs radio qu’il utilise et l’astrophysique subtile qui influence le comportement des pulsars. Même en tenant compte de ces effets, l’approche de l’équipe n’était pas assez sensible pour détecter les ondes gravitationnelles Les binaires individuels d’un trou noir supermassif. Cependant, il avait suffisamment de sensibilité pour détecter la somme de toutes les fusions massives de trous noirs qui se sont produites n’importe où dans l’univers depuis le Big Bang – jusqu’à un million de signaux qui se chevauchent.

Dans une analogie musicale, c’est comme se tenir dans un centre-ville bondé et entendre le faible son d’une symphonie quelque part au loin. Vous ne pouvez pas choisir un instrument de musique à cause du bruit des voitures et des gens autour de vous, mais vous pouvez entendre le bourdonnement de centaines d’instruments. L’équipe devait extraire la signature de ce onde gravitationnelle « de fond » des autres signaux concurrents.

L’équipe a pu découvrir cette symphonie en mesurant une grille de 67 pulsars différents sur une période de 15 ans. Si une partie de la perturbation dans le pulsar d’un pulsar était causée par des ondes gravitationnelles de l’univers lointain, tous les pulsars que l’équipe surveillait seraient affectés de la même manière. Le 28 juin 2023, l’équipe a publié Quatre feuilles Il décrit son projet et les preuves qu’il a trouvées pour un fond d’ondes gravitationnelles.

Le buzz trouvé par la collaboration NANOGrav a été produit par la fusion de trous noirs des milliards de fois plus massifs que le Soleil. Ces trous noirs tournent les uns autour des autres très lentement et produisent avec eux des ondes gravitationnelles Les fréquences sont d’un milliardième de hertz. Cela signifie que les ondulations spatio-temporelles ont une oscillation toutes les quelques décennies. Cette oscillation lente des ondes est la raison pour laquelle l’équipe devait s’appuyer sur la synchronisation incroyablement précise des pulsars.

Ces ondes gravitationnelles sont différentes des ondes que LIGO peut détecter. Les signaux LIGO sont produits lorsque deux trous noirs sont présents De 10 à 100 fois la masse du Soleil Ils fusionnent en un seul corps en rotation rapide, créant des ondes gravitationnelles qui oscillent des centaines de fois par seconde.

Si vous considérez les trous noirs comme un diapason, plus l’événement est petit, plus le diapason vibre rapidement et plus le son est fort. LIGO détecte les ondes gravitationnelles qui « sonnent » dans la plage audible. L’équipe de NANOGrav a trouvé des fusions de trous noirs « en boucle » à une fréquence extrêmement basse des milliards de fois.

Des trous noirs géants dans l’univers primitif

Les astronomes s’intéressent depuis longtemps à l’étude de l’apparition des étoiles et des galaxies au lendemain du Big Bang. Cette nouvelle découverte de l’équipe NANOGrav revient à ajouter une autre couleur – les ondes gravitationnelles – à une image de l’univers primitif qui commence tout juste à se dévoiler, en grande partie grâce au télescope spatial James Webb.

L’objectif scientifique principal de Télescope spatial James Webb Il s’agit d’aider les chercheurs à étudier comment les premières étoiles et galaxies se sont formées après le Big Bang. Pour ce faire, James Webb a été conçu pour détecter la faible lumière d’étoiles et de galaxies incroyablement éloignées. Plus un objet est éloigné, plus il faut de temps à la lumière pour atteindre la Terre, donc James Webb est une machine à voyager dans le temps efficace qui peut regarder plus de 13,5 milliards d’années en arrière pour voir la lumière de Les premières étoiles et galaxies dans l’univers.

Il réussit très bien dans ses recherches, ayant trouvé Des centaines de galaxies qui a inondé l’univers de lumière au cours des 700 premiers millions d’années après le Big Bang. Découvrez aussi le télescope Le plus ancien trou noir Dans l’univers, il est situé au centre d’une galaxie qui s’est formée seulement 500 millions d’années après le Big Bang.

Ces découvertes remettent en question les théories existantes sur l’évolution de l’univers.

Cela prend beaucoup de temps Une immense galaxie grandit. Les astronomes savent que les trous noirs supermassifs se trouvent au centre de chaque galaxie et ont une masse proportionnelle à leurs galaxies hôtes. Donc, ces anciennes galaxies ont presque certainement Le trou noir supermassif correspondant dans leurs centres.

Le problème est que les objets découverts par James Webb sont beaucoup plus grands que ce que la théorie actuelle dit qu’ils devraient être.

Ces nouveaux résultats de l’équipe NANOGrav sont issus de la première occasion pour les astronomes d’écouter les ondes gravitationnelles de l’ancien univers. Les résultats, bien que surprenants, Pas assez fort pour revendiquer une découverte définitive. Cela est susceptible de changer, cependant, à mesure que l’équipe élargit le réseau de pulsars pour inclure 115 pulsars Et il devrait obtenir des résultats de cette prochaine enquête vers 2025. Alors que James Webb et d’autres chercheurs remettent en question les théories existantes sur l’évolution des galaxies, être capable d’étudier l’ère après le Big Bang avec des ondes gravitationnelles pourrait être un outil inestimable.