La Lune comme détecteur d’ondes gravitationnelles

& balle; La physique 15, 34

Grâce à une nouvelle technique d’analyse, des mesures de précision de la distance Terre-Lune devraient améliorer les estimations de la taille du fond d’ondes gravitationnelles.

Des mesures précises de la distance Terre-Lune peuvent permettre aux chercheurs d’estimer l’amplitude maximale possible du « bourdonnement » de fond constant des ondes gravitationnelles. (Cette série de photos en accéléré a été prise par un satellite à un million de kilomètres de la Terre.)Des mesures précises de la distance Terre-Lune peuvent permettre aux chercheurs d’estimer l’amplitude maximale possible du « bourdonnement » de fond constant des ondes gravitationnelles. (Cette série de photos en accéléré a été prise par un satellite à un million de kilomètres d’Ea… Montre plus

Le barrage de toutes les ondes gravitationnelles qui frappent continuellement la Terre dans la gamme de fréquences du microhertz – environ une oscillation toutes les quelques semaines – pourrait être détecté en mesurant leurs effets subtils sur le système Terre-Lune. En exploitant cette idée vieille de plusieurs décennies, les chercheurs ont maintenant montré que les dernières données de télémétrie laser pourraient être utilisées pour placer une limite supérieure beaucoup plus petite sur la force possible de ces ondes, par rapport aux estimations précédentes. [1, 2]. La technique promet une nouvelle façon puissante de sonder les ondes gravitationnelles en utilisant des systèmes orbitaux naturels comme détecteurs sensibles.

Les ondes gravitationnelles peuvent fournir des informations sur certains des événements les plus violents de l’Univers, des fusions de trous noirs au big bang, mais les détecteurs actuels ont un angle mort entre deux bandes de fréquences distinctes. La collaboration LIGO-Virgo-KAGRA – basée sur des interféromètres laser situés aux États-Unis, en Europe et au Japon – peut détecter des ondes avec des fréquences comprises entre 1 et 1000 Hz. Un autre schéma de détection utilise des signaux périodiques de pulsars pour détecter des ondes gravitationnelles nanohertz (nHz), correspondant à une oscillation toutes les quelques années. Il y a donc un grand écart pour les ondes dans le microhertz (

𝜇hertz

), qui pourrait être généré, par exemple, par des paires binaires de trous noirs supermassifs dans les derniers stades de leur orbite avant de fusionner.

“Nous visons à combler cette lacune”, déclare Alexander Jenkins de l’University College London. “L’idée est de mesurer comment [the waves] influencent les orbites des systèmes binaires, y compris le système Terre-Lune. » Jenkins dit que de nombreux chercheurs ont aidé à développer cette idée depuis les années 1970. Dans le cas le plus simple, une onde gravitationnelle continue avec la même fréquence que le mouvement orbital pourrait, par exemple, rapprocher un peu les objets à chaque cycle. Grâce à ce phénomène de résonance, l’orbite changerait au fil du temps d’une manière qui reflète les propriétés de l’onde.

D. Blas et AC Jenkins

Jamais un moment calme. Si deux objets gravitationnellement liés sont continuellement secoués par des ondes gravitationnelles provenant de tout l’Univers, leur orbite mutuelle changera progressivement avec le temps.

En 2013, Lam Hui de l’Université de Columbia et ses collègues ont montré que les ondes gravitationnelles dans le

𝜇

La plage de fréquence Hz pourrait avoir un effet potentiellement mesurable sur les systèmes binaires [3]. Ils ont démontré théoriquement qu’un fond continu d’un grand nombre de telles ondes provenant de toutes les directions devrait faire subir à la période et à d’autres paramètres orbitaux une marche aléatoire et donc changer progressivement dans le temps. Le taux de changement refléterait la force des vagues dominantes.

En utilisant les données d’un pulsar binaire – ​​une paire d’étoiles pulsars en orbite, qui émettent des signaux périodiques – Hui et ses collègues ont obtenu une limite supérieure sur la force possible des ondes gravitationnelles dans le

𝜇hertz

écart. Maintenant, Jenkins et Diego Blas de l’Université autonome de Barcelone, en Espagne, ont poussé ce travail plus loin, montrant que la précision des données actuelles sur le système Terre-Lune devrait permettre aux chercheurs de dériver une borne supérieure beaucoup plus petite que celle dérivé par Hui et ses collègues.

Jenkins et Blas s’appuient sur des travaux antérieurs pour développer un formalisme mathématique, ainsi que des méthodes numériques, pour suivre l’évolution aléatoire du mouvement orbital de tout système binaire soumis à un fond d’ondes gravitationnelles [1]. Ces techniques mathématiques leur ont permis de faire un lien plus précis entre les changements orbitaux et la nature des ondes gravitationnelles qui les entraînent. “Notre formalisme offre un moyen beaucoup plus complet et rigoureux de calculer tous les effets qu’un fond d’ondes gravitationnelles aurait sur un système binaire donné”, explique Jenkins.

Dans un article complémentaire, les chercheurs utilisent ces méthodes pour proposer une voie permettant d’abaisser la limite de la force du fond des ondes gravitationnelles dans le “point aveugle” actuel. [2]. Cela peut être fait, selon eux, en utilisant des mesures de télémétrie laser de la Lune pour déterminer les changements précis de l’orbite Terre-Lune, puis en les comparant aux prédictions de la théorie. Les résultats, selon leurs estimations, devraient améliorer de plus de 100 fois les connaissances des chercheurs sur l’amplitude possible de ces ondes.

“C’est une façon passionnante et nouvelle de voir les ondes gravitationnelles”, explique le physicien des trous noirs Vitor Cardoso de l’Instituto Superior Técnico, Lisbonne, Portugal. “L’idée est simple, mais elle nécessite des calculs difficiles à mettre en œuvre et à montrer que cela fonctionne.” De plus, cette approche alternative à la détection pourrait révéler des sources d’ondes gravitationnelles inattendues, dit-il. Nous pouvons découvrir “que l’Univers est rempli d’un mystérieux contenu d’ondes gravitationnelles”.

En ce qui concerne les prochaines étapes, Jenkins pense que davantage de travaux théoriques sont nécessaires. Par exemple, “il ne s’agit pas seulement de systèmes binaires individuels – nous devons également voir comment des galaxies entières réagissent aux ondes gravitationnelles”, dit-il.

–Mark Buchanan

Mark Buchanan est un rédacteur scientifique indépendant qui partage son temps entre Abergavenny, au Royaume-Uni, et Notre Dame de Courson, en France.

RÉFÉRENCE

  1. D. Blas et AC Jenkins, “Détection des ondes gravitationnelles stochastiques avec résonance binaire,” Phys. Tour. ré 105064021 (2022).
  2. D. Blas et AC Jenkins, « Bridging the
    𝜇

    Écart de Hz dans le paysage des ondes gravitationnelles avec des résonances binaires », Phys. Tour. Lett. 128101103 (2022).

  3. L.Hui et coll.“Les systèmes binaires comme détecteurs de résonance pour les ondes gravitationnelles,” Phys. Tour. ré 87084009 (2013).

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