Une nouvelle façon de rechercher les ondes gravitationnelles

Dans un article publié aujourd'hui dans la revue Physical Review Letters, Valerie Domcke, du CERN, et Camilo Garcia-Cely, de DESY, décrivent une nouvelle technique pour rechercher les ondes gravitationnelles, ces ondulations du tissu spatio-temporel observées pour la première fois en 2015 par les collaborations LIGO et Virgo, une découverte qui a valu à Rainer Weiss, Barry Barish et Kip Thorne le prix Nobel de physique en 2017.

La technique de Valerie Domcke et de Camilo Garcia-Cely repose sur la conversion en ondes radio des ondes gravitationnelles de haute fréquence (allant des mégahertz aux gigahertz). Cette conversion, qui a lieu en présence de champs magnétiques, déforme le rayonnement fossile de l'Univers primordial, connu sous le nom de fond diffus cosmologique et présent dans tout l'Univers.

Le duo de scientifiques montre que cette distorsion, déduite à partir des données du fond diffus cosmologique obtenues avec les radiotélescopes, peut être utilisée pour rechercher des ondes gravitationnelles de haute fréquence générées par des sources cosmiques telles que des sources remontant à l'âge sombre ou même plus loin encore dans notre histoire cosmique. L'âge sombre couvre la période allant de la formation des atomes d'hydrogène aux premières étoiles qui ont éclairé le cosmos.

« Les chances pour que ces ondes gravitationnelles de haute fréquence se transforment en ondes radio sont minces, mais, en contrepartie, le détecteur que nous avons utilisé est gigantesque, à savoir le cosmos, explique Valerie Domcke. Le fond diffus cosmologique constitue la limite supérieure de l'amplitude des ondes gravitationnelles de haute fréquence qui se transforment en ondes radio. Ces ondes de haute fréquence sont hors de portée des interféromètres laser LIGO, Virgo et KAGRA. »                                                                                                                            

Valerie Domcke et Camilo Garcia-Cely ont réussi à déterminer deux limites supérieures à partir des mesures du fond diffus cosmologique prises par deux radiotélescopes : ARCADE 2, un ballon stratosphérique équipé d’un radiomètre, et EDGES, le télescope de l'Observatoire de radioastronomie de Murchinson, en Australie occidentale. Pour ce qui est des champs magnétiques cosmiques les plus faibles possible, déterminés à partir des données astronomiques actuelles, les deux chercheurs ont découvert que les mesures réalisées par le télescope EDGES révèlent une amplitude maximale de 1/1012 pour une onde gravitationnelle à une fréquence d'environ 78 MHz, alors que les mesures d'ARCADE 2 montrent une amplitude maximale de 1/1014 à une fréquence entre 3 et 30 GHz. Pour les champs magnétiques cosmiques les plus forts, les limites sont plus resserrées : 1/1021 (EDGES) et 1/1024 (ARCADE 2). Elles sont également plus restrictives d'environ sept ordres de grandeur que les limites actuelles obtenues par des expériences existantes réalisées en laboratoire.

Selon Valerie Domcke et Camilo Garcia-Cely, les données des radiotélescopes de la prochaine génération tels que le SKA (Square Kilometre Array), ainsi qu'une meilleure analyse des données, devraient resserrer encore ces limites et permettre peut-être même de détecter des ondes gravitationnelles de l'âge sombre et de temps cosmiques antérieurs.

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