Les astronomes pourraient détecter les ondes gravitationnelles en suivant l’orbite de la Lune autour de la Terre

Les ondes gravitationnelles sont notoirement difficiles à détecter. Bien que l’astronomie optique moderne existe depuis des siècles, l’astronomie des ondes gravitationnelles n’existe que depuis 2015. Même maintenant, notre capacité à détecter les ondes gravitationnelles est limitée. Les observatoires tels que LIGO et Virgo ne peuvent détecter que des événements puissants tels que les fusions de trous noirs stellaires ou d’étoiles à neutrons. Et ils ne peuvent détecter que des ondes avec une gamme étroite de fréquences allant de dizaines de Hertz à quelques centaines de Hertz. De nombreuses ondes gravitationnelles sont produites à des fréquences beaucoup plus basses, mais pour le moment, nous ne pouvons pas les observer. Imaginez élever un télescope vers le ciel nocturne et ne pouvoir voir que la lumière qui est de quelques nuances de violet.

Naturellement, les astronomes aimeraient observer une gamme plus large de « couleurs » gravitationnelles, et plusieurs méthodes ont été proposées. Les télescopes spatiaux à ondes gravitationnelles tels que l’observatoire LISA proposé devraient être capables de détecter les ondes millihertz, par exemple. Il existe également des projets essayant de détecter des ondes gravitationnelles nanohertz extrêmement lentes telles que NANOGrav qui étudie les signaux radio des pulsars à rotation rapide. Ces deux gammes de fréquences auront beaucoup à nous apprendre sur l’univers.

Mais ce qui manque, c’est la capacité de détecter les fréquences microhertz. Ce sont des ondes gravitationnelles qui mettent plusieurs semaines à faire une oscillation complète. C’est une gamme qui pourrait s’avérer cruciale pour notre compréhension du big bang. Selon le modèle standard de la cosmologie, dans les premiers instants du big bang, l’univers a connu un bref moment d’expansion ultra-rapide connu sous le nom d’inflation cosmique précoce. La théorie de l’inflation est nécessaire pour résoudre plusieurs des problèmes du big bang, mais nous n’avons pas été en mesure de le prouver. Les ondes gravitationnelles microhertz pourraient être la solution. Selon la théorie, l’inflation cosmique précoce aurait dû créer des ondes gravitationnelles microhertz à travers le cosmos. L’univers devrait encore sonner avec eux, comme l’écho qui s’estompe d’une cloche. Maintenant, une équipe d’astronomes pense savoir comment les ondes microhertz pourraient être détectées.

Les ondes gravitationnelles pourraient déplacer l’orbite de la Lune. Crédit : D. Blas et AC Jenkins

S’il y a vraiment des ondes gravitationnelles issues de l’inflation précoce, alors tout est bousculé par elles. Les étoiles, les astéroïdes, même la Terre et la Lune. Et c’est là que réside la clé. Lorsque ces ondes gravitationnelles traversent le système Terre-Lune, elles devraient déplacer très légèrement l’orbite de la Lune. Cet effet serait le plus dramatique à une fréquence égale à la période orbitale de la Lune, qui est d’environ 28 jours. En plein dans la gamme de fréquences microhertz.

Le hic, c’est que vous auriez besoin de pouvoir suivre la position de la Lune avec une extrême précision. Mais nous pouvons déjà le faire. Grâce aux missions Apollo, nous avons des réflecteurs placés sur la Lune, et en braquant des lasers sur eux, nous pouvons mesurer la position de la Lune au centimètre près. L’équipe propose d’effectuer une série de mesures dans le temps pour rechercher spécifiquement les dérives des ondes gravitationnelles. Ils proposent également un projet similaire à NANOGrav. Les pulsars en orbite autour d’un compagnon avec une période de plusieurs semaines seraient également sensibles aux ondes gravitationnelles microhertz, et la mesure des signaux de ces pulsars binaires pourrait détecter des ondes microhertz.

Pour l’instant ce n’est qu’une idée, mais c’est une bonne idée. Et la plupart des outils dont nous avons besoin existent déjà. Peut-être que dans un avenir proche, un regard attentif sur la Lune pourrait nous permettre de résoudre l’un des plus grands mystères de la cosmologie.

Référence: Blas, Diego et Alexander C. Jenkins. “Combler le fossé microHz dans le paysage des ondes gravitationnelles avec des résonances binaires.” Lettres d’examen physique 128.10 (2022) : 101103.

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