Un détecteur d'ondes gravitationnelles dans l'espace pourrait révéler les secrets de l'univers

Apr 15, 2023

De nouvelles recherches ont montré que les futures détections d'ondes gravitationnelles depuis l'espace seront capables de trouver de nouveaux champs fondamentaux et de jeter potentiellement un nouvel éclairage sur des aspects inexpliqués de l'Univers.

Le professeur Thomas Sotiriou du Centre de gravité de l'Université de Nottingham et Andrea Maselli, chercheur au GSSI et associé à l'INFN, ainsi que des chercheurs du SISSA et de La Sapienza de Rome, ont montré la précision sans précédent avec laquelle les observations des ondes gravitationnelles par l'interféromètre spatial LISA (Laser Interferometer Space Antenna), sera capable de détecter de nouveaux champs fondamentaux.La recherchea été publié dans Nature Astronomy.

Dans cette nouvelle étude, les chercheurs suggèrent que LISA, le détecteur spatial d'ondes gravitationnelles (GW) qui devrait être lancé par l'ESA en 2037, ouvrira de nouvelles possibilités pour l'exploration de l'Univers.

Sotiriou, directeur du Nottingham Center of Gravity explique : « De nouveaux champs fondamentaux, et en particulier des scalaires, ont été suggérés dans une variété de scénarios : comme explications de la matière noire, comme cause de l'expansion accélérée de l'Univers, ou comme faible -Manifestations énergétiques d'une description cohérente et complète de la gravité et des particules élémentaires. Nous avons maintenant montré que LISA offrira des capacités sans précédent dans la détection des champs scalaires, ce qui offre des opportunités passionnantes pour tester ces scénarios."

Les observations d'objets astrophysiques avec de faibles champs gravitationnels et une petite courbure de l'espace-temps n'ont jusqu'à présent fourni aucune preuve de tels champs. Cependant, il y a des raisons de s'attendre à ce que les écarts par rapport à la relativité générale, ou les interactions entre la gravité et les nouveaux champs, soient plus importants aux grandes courbures. Pour cette raison, la détection des GW - qui a ouvert une nouvelle fenêtre sur le régime de champ fort de la gravité - représente une opportunité unique de détecter ces champs.

Les inspirations de rapport de masse extrême (EMRI) dans lesquelles un objet compact de masse stellaire, soit un trou noir ou une étoile à neutrons, spirales dans un trou noir jusqu'à des millions de fois la masse du Soleil, font partie des sources cibles de LISA et fournissent une arène dorée pour sonder le régime de champ fort de la gravité. Le plus petit corps effectue des dizaines de milliers de cycles orbitaux avant de plonger dans le trou noir supermassif, ce qui conduit à de longs signaux qui peuvent nous permettre de détecter même les plus petits écarts par rapport aux prédictions de la théorie d'Einstein et du modèle standard de physique des particules.

Les chercheurs ont développé une nouvelle approche pour modéliser le signal et effectué pour la première fois une estimation rigoureuse de la capacité de LISA à détecter l'existence de champs scalaires couplés à l'interaction gravitationnelle, et à mesurer la quantité de champ scalaire portée par le petit corps de l'EMRI. Remarquablement, cette approche est indépendante de la théorie, car elle ne dépend pas de l'origine de la charge elle-même, ni de la nature du petit corps. L'analyse montre également qu'une telle mesure peut être mappée à des limites fortes sur les paramètres théoriques qui marquent les écarts par rapport à la relativité générale ou au modèle standard.

LISA sera dédié à la détection des ondes gravitationnelles par des sources astrophysiques, fonctionnera dans une constellation de trois satellites, en orbite autour du Soleil à des millions de kilomètres de distance les uns des autres. LISA observera les ondes gravitationnelles émises à basse fréquence, dans une bande non accessible aux interféromètres terrestres en raison du bruit ambiant. Le spectre visible pour LISA permettra d'étudier de nouvelles familles de sources astrophysiques, différentes de celles observées par Virgo et LIGO, comme les EMRI, ouvrant une nouvelle fenêtre sur l'évolution des objets compacts dans une grande variété d'environnements de notre Univers.

- Ce communiqué de presse a été initialement publié sur le site Web de l'Université de Nottingham