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Pour trouver des trous noirs géants, commencez par Jupiter

Pour trouver des trous noirs géants, commencez par Jupiter

À la recherche des plus grands trous noirs de l'Univers, le chercheur de Vanderbilt identifie le centre du système solaire à moins de 100 mètres. Crédits: David Champion

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 à un télescope en 1609. Quatre siècles plus tard, les scientifiques connaissent une transition similaire dans leur connaissance des trous noirs en recherchant la gravitation vagues.


À la recherche de trous noirs auparavant non détectés 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 ( La collaboration 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 The Journal astrophysique en avril 2020.

Les trous noirs sont des régions de gravité pure 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 générale de la relativité d'Einstein. Lorsque les trous noirs tournent en orbite deux à deux, ils rayonnent des ondes gravitationnelles qui déforment l'espace-temps, étirent et resserrent l'espace. Les ondes gravitationnelles ont été détectées pour la première fois par l'Observatoire des ondes gravitationnelles de l'interféromètre laser (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), recherche des changements dans la forme de notre galaxie entière.

Taylor et son équipe sont à la recherche de changements dans le taux d'arrivée de flashs réguliers d'ondes radio provenant de pulsars. Ces pulsars font tourner rapidement des étoiles à neutrons, certains allant aussi vite qu'un mélangeur de cuisine. Ils émettent également des faisceaux d'ondes radio, apparaissant comme des phares interstellaires lorsque ces faisceaux balayent 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 qui est corrélé entre de nombreux pulsars pourrait signaler l'influence des ondes gravitationnelles déformant notre galaxie.

Pour trouver des trous noirs géants, commencez par Jupiter

À la recherche des plus grands trous noirs de l'Univers, le chercheur de Vanderbilt identifie le centre du système solaire à moins de 100 mètres. Crédit: Tonia Klein / NANOGrav Physics Frontier Center

"En utilisant les pulsars que nous observons à travers la galaxie de la Voie lactée, nous essayons d'être comme une araignée assise dans le silence au milieu de sa toile", explique Taylor. "La façon dont nous comprenons bien le barycentre du système solaire est essentielle 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 astéroïdes s'équilibrent.

Où est le centre de notre toile, l'emplacement de l'immobilité absolue dans notre système solaire? Pas au centre du soleil comme beaucoup pourraient le penser, mais plutôt plus près 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, un peu moins de 15 ans que NANOGrav recueille 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 maladies techniques qui ont affecté la qualité des mesures prises pendant la mission.

L'identification du centre de gravité du système solaire a longtemps été calculée avec les données du suivi Doppler pour obtenir une estimation de l'emplacement et des trajectoires des corps en orbite autour du soleil. "Le problème 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 ne détections rien d'important 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 l'auteure principale du document, Michele Vallisneri. "En règle générale, plus de données fournissent un résultat plus précis, mais il y a toujours eu un décalage dans nos calculs."

Le groupe a décidé de rechercher le centre de gravité du système solaire en même temps que de détecter les ondes gravitationnelles. Les chercheurs ont obtenu des réponses plus robustes à la recherche d'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 auraient 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", a déclaré Taylor. "En trouvant des 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.


La toile pulsar pourrait détecter les ondes gravitationnelles de basse fréquence


Plus d'information:
M. Vallisneri et al. Modélisation des incertitudes des éphémérides du système solaire pour des recherches robustes sur les ondes gravitationnelles avec des réseaux de synchronisation pulsée, The Astrophysical Journal (2020). DOI: 10,3847 / 1538-4357 / ab7b67

Fourni par
Université Vanderbilt

Citation:
Pour trouver des trous noirs géants, commencez par Jupiter (2020, 30 juin)
récupéré le 30 juin 2020
depuis https://phys.org/news/2020-06-giant-black-holes-jupiter.html

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