Astronomie

Ondes gravitationnelles et Big Bang

Ondes gravitationnelles et Big Bang

Le site Web de Ligo indique que "Détecter les ondes gravitationnelles reliques du Big Bang nous permettra de voir plus loin dans l'histoire de l'Univers que jamais auparavant."

Je trouve cela déroutant. Comment détecter une onde gravitationnelle provenant à peu près au même moment et au même endroit que les particules qui composent leur détecteur (c'est-à-dire dans le Big bang) ? Pour utiliser une analogie simple - une explosion dans un entrepôt d'électronique provoque la dispersion d'un éclair de lumière et de pièces d'équipement électronique. Ces pièces sont ensuite assemblées pour constituer un appareil photo capable de photographier l'explosion. Je suis confus!

Des réponses adaptées à un cours de physique au lycée très appréciées.


Premièrement, le Big Bang ne s'est pas produit à un point de l'espace, à partir duquel nous voyageons. Big Bang était la création de l'espace. Cet espace s'est agrandi depuis, de sorte que les distances entre tout augmentent, mais le Big Bang s'est produit là où vous êtes, où se trouve la galaxie d'Andromède, où se trouve GN-z11, etc.

L'Univers a évolué depuis. Si nous voulons savoir à quoi ressemblent les galaxies 13,8 milliards d'années (Gyr) après le Big Bang, nous pouvons simplement regarder autour de nous. Si nous regardons trop loin, nous ne voyons pas de vieilles galaxies de 13,8 Gyr, car la lumière a mis du temps à nous atteindre. Ainsi, si nous voulons voir des galaxies âgées de 12,8 Gyr, nous regardons simplement à 1 milliard d'années-lumière ; si nous voulons voir des galaxies vieilles de 10 Gyr, nous regardons (environ) à 3,8 milliards d'années-lumière, et ainsi de suite.$^dagger$ De cette façon, nous regardons dans le temps.

Si nous regardons assez loin, nous serions en principe capables de remonter à 13,8 Gyr dans le temps. Cependant, nous sommes confrontés à un problème en ce sens que jusqu'à ce que l'Univers ait 380 000 ans, il était opaque à la lumière (pourquoi il en est ainsi, c'est une autre histoire). Cependant, il n'était pas opaque aux ondes gravitationnelles. Et comme on pense que beaucoup de GW sont originaires de l'époque appelée inflation, qui étaient responsables de l'expansion de l'Univers, et qui a eu lieu une fraction de seconde après la création de l'espace, nous disons que les GW offrent la possibilité de regarder jusqu'au Big Bang.


$^poignard$C'est quelque peu imprécis, car les galaxies n'ont pas été créées instantanément après le Big Bang, et puisque toutes les galaxies n'ont pas été créées en même temps. Mais pour le plaisir, faisons comme si c'était le cas.


Que vont nous dire les ondes gravitationnelles sur l'univers ?

« ÇA va être une révolution. » C'est ce que déclare Erik Katsavounidis du MIT, l'une des équipes à l'origine de la découverte tant attendue des ondes gravitationnelles.

Le 11 février, l'observatoire Laser Interferometer Gravitational-Wave, ou LIGO, a annoncé avoir repéré des ondes gravitationnelles, l'étirement et la compression de l'espace-temps provoqués par le mouvement d'objets massifs.

LIGO Detection : Dans les coulisses de la découverte de la décennie

Regardez la première mondiale exclusive le 7 février 2017

L'annonce a fait sensation parmi les physiciens et les astronomes du monde entier, et ils se préparent maintenant à exploiter cette nouvelle fenêtre sur l'univers. Les ondes gravitationnelles nous permettront d'explorer la physique fondamentale, d'examiner les objets les plus étranges de l'univers et peut-être même de revenir aux premiers instants de l'univers. "Nous pouvons potentiellement voir presque jusqu'au big bang", déclare Dejan Stojkovic de l'Université d'État de New York à Buffalo.

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Le signal a été capté par les deux observatoires de LIGO à Hanford, Washington, et Livingston, en Louisiane, le 14 septembre 2015. Il a été créé par la collision de deux trous noirs, chacun environ 30 fois la masse du soleil. Les détails du signal suggèrent qu'ils se sont encerclés de plus en plus près jusqu'à ce qu'ils ne fassent finalement qu'un.

Cela a immédiatement résolu une question ouverte pour les astronomes. Avant l'arrivée du signal, l'existence même de ces binaires de trous noirs était contestée. Parce qu'ils sont sombres, les trous noirs de ces masses sont presque impossibles à repérer à moins que quelque chose de brillant - comme une étoile - ne les orbite.

"Les signaux des fusions de trous noirs pourraient nous aider à comprendre la nature de l'énergie noire"

L'objectif suivant est d'observer les ondes gravitationnelles de la spirale de la mort de deux étoiles à neutrons. Contrairement aux trous noirs, qui cachent leur masse derrière un horizon des événements alors même qu'ils s'écrasent, les étoiles à neutrons en collision crachent de la matière chaude et brillante à travers l'espace, ce qui pourrait nous aider à explorer d'autres mystères. Par exemple, l'étude de ces explosions peut expliquer les sursauts gamma courts – des phénomènes électromagnétiques mystérieux et incroyablement brillants. Ils pourraient également aider à expliquer où une grande partie des éléments lourds de l'univers, comme l'uranium, le thorium et l'or, sont forgés.

Au cours des deux prochaines années, LIGO devrait être suffisamment sensible pour détecter les ondes gravitationnelles de toute fusion d'étoiles à neutrons qui se produisent dans les 300 000 galaxies les plus proches. Cela signifie que nous devrions voir environ un signal par mois.

Ces détections d'événements uniques ne sont cependant qu'un début. Mettez-en plusieurs ensemble et nous devrions être en mesure d'obtenir de nouvelles informations sur l'histoire et la composition de l'univers dans son ensemble, déclare Avi Loeb de l'Université Harvard. Les signaux d'un certain nombre de fusions de trous noirs, par exemple, peuvent être combinés pour aider à comprendre la nature de l'énergie noire, qui accélère l'expansion de l'univers.

À partir de la "forme" du signal - comment la fréquence et le volume des ondes montent et descendent - nous pouvons discerner la taille des trous noirs impliqués et déterminer le niveau sonore de l'événement à sa source. La comparaison de sa puissance réelle avec les faibles vibrations détectées par LIGO nous indique à quelle distance cela s'est produit. Combiné avec les observations des télescopes standard, cela peut nous dire comment l'espace s'est agrandi pendant le temps que les vagues ont mis pour nous atteindre, fournissant une mesure de l'effet de l'énergie noire sur l'espace.

Cette mesure devrait être plus forte et plus fiable que tout ce que nous avons utilisé jusqu'à présent. Repérer quelques fusions de trous noirs changerait tout, dit Loeb. “Si vous en avez des dizaines, ce sera une nouvelle branche de la cosmologie.”

D'autres chercheurs espèrent utiliser les signaux des ondes gravitationnelles pour soumettre la théorie de la relativité générale d'Einstein à des tests encore plus rigoureux. L'un des moyens est le principe d'équivalence, une hypothèse selon laquelle la gravité affecte toutes les masses de la même manière. "À l'ère du GPS et des voyages spatiaux, où même des écarts minimes par rapport à la théorie supposée de la gravité auraient des conséquences majeures, cela revêt une importance énorme", déclare Xue-Feng Wu de l'observatoire de la montagne violette à Nanjing, en Chine.

Erminia Calabrese, astronome à l'Université d'Oxford, considère les ondes gravitationnelles comme un moyen de vérifier si la gravité se comporte comme la relativité le prédit sur de grandes distances. "Si leur force diminuait avec la distance d'une manière surprenante, nous pourrions le détecter avec les prochaines données LIGO", dit-elle.


Contenu

Les fréquences des ondes gravitationnelles ordinaires sont très basses et beaucoup plus difficiles à détecter, tandis que les fréquences plus élevées se produisent lors d'événements plus dramatiques et sont donc devenues les premières à être observées.

En plus d'une fusion de trous noirs, une fusion d'étoiles à neutrons binaires a été directement détectée : un sursaut gamma (GRB) a été détecté par le moniteur de sursaut gamma Fermi en orbite le 17 août 2017 à 12:41:06 UTC, déclenchant un avis automatisé dans le monde entier. Six minutes plus tard, un seul détecteur de Hanford LIGO, un observatoire d'ondes gravitationnelles, a enregistré une onde gravitationnelle candidate survenant 2 secondes avant le sursaut gamma. Cet ensemble d'observations est cohérent avec une fusion d'étoiles à neutrons binaires, [7] comme en témoigne un événement transitoire multi-messagers qui a été signalé par des observations de spectre d'ondes gravitationnelles et électromagnétiques (sursaut gamma, optique et infrarouge).

Haute fréquence Modifier

En 2015, le projet LIGO a été le premier à observer directement les ondes gravitationnelles à l'aide d'interféromètres laser. [8] [9] Les détecteurs LIGO ont observé des ondes gravitationnelles issues de la fusion de deux trous noirs de masse stellaire, correspondant aux prédictions de la relativité générale. [10] [11] [12] Ces observations ont démontré l'existence de systèmes binaires de trous noirs de masse stellaire et ont été la première détection directe d'ondes gravitationnelles et la première observation d'une fusion binaire de trous noirs. [13] Cette découverte a été qualifiée de révolutionnaire pour la science, en raison de la vérification de notre capacité à utiliser l'astronomie des ondes gravitationnelles pour progresser dans notre recherche et notre exploration de la matière noire et du big bang.

Il existe actuellement plusieurs collaborations scientifiques pour l'observation des ondes gravitationnelles. Il existe un réseau mondial de détecteurs au sol, ce sont des interféromètres laser à l'échelle kilométrique comprenant : le Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO), un projet conjoint entre le MIT, Caltech et les scientifiques de la LIGO Scientific Collaboration avec des détecteurs à Livingston , Louisiane et Hanford, Washington Virgo, à l'Observatoire gravitationnel européen, Cascina, Italie GEO600 à Sarstedt, Allemagne, et le détecteur d'ondes gravitationnelles Kamioka (KAGRA), exploité par l'Université de Tokyo dans l'Observatoire Kamioka, Japon. LIGO et Virgo sont actuellement mis à niveau vers leurs configurations avancées. Advanced LIGO a commencé ses observations en 2015, détectant les ondes gravitationnelles même s'il n'a pas encore atteint sa sensibilité de conception. Le KAGRA, plus avancé, a commencé l'observation le 25 février 2020. Le GEO600 est actuellement opérationnel, mais sa sensibilité rend peu probable une observation, son objectif principal est de tester la technologie.

Basse fréquence Modifier

Un autre moyen d'observation consiste à utiliser des matrices de synchronisation de pulsars (PTA). Il existe trois consortiums, l'European Pulsar Timing Array (EPTA), l'Observatoire nord-américain de nanohertz pour les ondes gravitationnelles (NANOGrav) et le Parkes Pulsar Timing Array (PPTA), qui coopèrent sous le nom d'International Pulsar Timing Array. Ceux-ci utilisent des radiotélescopes existants, mais comme ils sont sensibles à des fréquences de l'ordre du nanohertz, de nombreuses années d'observation sont nécessaires pour détecter un signal et la sensibilité du détecteur s'améliore progressivement. Les limites actuelles se rapprochent de celles attendues pour les sources astrophysiques. [14]

Fréquences intermédiaires Modifier

Plus loin dans le futur, il y a la possibilité de détecteurs spatiaux. L'Agence spatiale européenne a sélectionné une mission à ondes gravitationnelles pour sa mission L3, qui doit être lancée en 2034, le concept actuel est l'antenne spatiale d'interféromètre laser évolué (eLISA). [15] L'Observatoire d'ondes gravitationnelles de l'interféromètre à déci-hertz japonais (DECIGO) est également en cours de développement.

L'astronomie s'est traditionnellement appuyée sur le rayonnement électromagnétique. Originaire de la bande visible, à mesure que la technologie avançait, il est devenu possible d'observer d'autres parties du spectre électromagnétique, de la radio aux rayons gamma. Chaque nouvelle bande de fréquences donnait une nouvelle perspective sur l'Univers et annonçait de nouvelles découvertes. [16] Au cours du 20ème siècle, les mesures indirectes et plus tard directes de particules massives à haute énergie ont fourni une fenêtre supplémentaire sur le cosmos. À la fin du 20e siècle, la détection des neutrinos solaires a fondé le domaine de l'astronomie des neutrinos, donnant un aperçu de phénomènes auparavant inaccessibles, tels que le fonctionnement interne du Soleil. [17] [18] L'observation des ondes gravitationnelles fournit un autre moyen de faire des observations astrophysiques.

Russell Hulse et Joseph Taylor ont reçu le prix Nobel de physique 1993 pour avoir montré que la désintégration orbitale d'une paire d'étoiles à neutrons, dont un pulsar, correspond aux prédictions de la relativité générale sur le rayonnement gravitationnel. [19] Par la suite, de nombreux autres pulsars binaires (y compris un système à double pulsar) ont été observés, tous convenant aux prédictions des ondes gravitationnelles. [20] En 2017, le prix Nobel de physique a été décerné à Rainer Weiss, Kip Thorne et Barry Barish pour leur rôle dans la première détection des ondes gravitationnelles. [21] [22] [23]

Les ondes gravitationnelles fournissent des informations complémentaires à celles fournies par d'autres moyens. En combinant les observations d'un même événement faites à l'aide de différents moyens, il est possible d'acquérir une compréhension plus complète des propriétés de la source. C'est ce qu'on appelle l'astronomie multi-messagers. Les ondes gravitationnelles peuvent également être utilisées pour observer des systèmes invisibles (ou presque impossibles à détecter) à mesurer par tout autre moyen. Par exemple, ils fournissent une méthode unique de mesure des propriétés des trous noirs.

Des ondes gravitationnelles peuvent être émises par de nombreux systèmes, mais, pour produire des signaux détectables, la source doit être constituée d'objets extrêmement massifs se déplaçant à une fraction significative de la vitesse de la lumière. La source principale est un binaire de deux objets compacts. Exemples de systèmes :

  • Binaires compacts composés de deux objets de masse stellaire en orbite rapprochée, tels que des naines blanches, des étoiles à neutrons ou des trous noirs. Les binaires plus larges, qui ont des fréquences orbitales plus basses, sont une source pour des détecteurs comme LISA. [24][25] Les binaires plus proches produisent un signal pour les détecteurs au sol comme LIGO. [26] Les détecteurs au sol pourraient potentiellement détecter des binaires contenant un trou noir de masse intermédiaire de plusieurs centaines de masses solaires. [27][28] binaires, constitués de deux trous noirs avec des masses de 10 5 –10 9 masses solaires. Les trous noirs supermassifs se trouvent au centre des galaxies. Lorsque les galaxies fusionnent, on s'attend à ce que leurs trous noirs supermassifs centraux fusionnent également. [29] Ce sont potentiellement les signaux d'ondes gravitationnelles les plus forts. Les binaires les plus massifs sont une source de PTA. [30] Les binaires moins massifs (environ un million de masses solaires) sont une source pour les détecteurs spatiaux comme LISA. [31] systèmes d'un objet compact de masse stellaire en orbite autour d'un trou noir supermassif. [32] Ce sont des sources pour des détecteurs comme LISA. [31] Les systèmes avec des orbites très excentriques produisent une rafale de rayonnement gravitationnel lorsqu'ils passent par le point d'approche le plus proche [33] les systèmes avec des orbites quasi circulaires, qui sont attendus vers la fin de l'inspiration, émettent en continu dans la bande de fréquence de LISA. [34] Des inspirales à rapport de masse extrême peuvent être observées sur de nombreuses orbites. Cela en fait d'excellentes sondes de la géométrie de l'espace-temps de fond, permettant des tests de précision de la relativité générale. [35]

En plus des binaires, il existe d'autres sources potentielles :

    générer des rafales d'ondes gravitationnelles à haute fréquence qui pourraient être détectées avec LIGO ou Virgo. [36]
  • Les étoiles à neutrons en rotation sont une source d'ondes continues à haute fréquence si elles possèdent une asymétrie axiale. [37][38]
  • Les premiers processus de l'univers, tels que l'inflation ou une transition de phase. [39] pourraient également émettre des rayonnements gravitationnels s'ils existent. [40] La découverte de ces ondes gravitationnelles confirmerait l'existence de cordes cosmiques.

Les ondes gravitationnelles n'interagissent que faiblement avec la matière. C'est ce qui les rend difficiles à détecter. Cela signifie également qu'ils peuvent voyager librement à travers l'Univers et ne sont pas absorbés ou diffusés comme le rayonnement électromagnétique. Il est donc possible de voir au centre de systèmes denses, comme les noyaux de supernovae ou le Centre Galactique. Il est également possible de voir plus loin dans le temps qu'avec le rayonnement électromagnétique, car l'univers primitif était opaque à la lumière avant la recombinaison, mais transparent aux ondes gravitationnelles. [41]

La capacité des ondes gravitationnelles à se déplacer librement à travers la matière signifie également que les détecteurs d'ondes gravitationnelles, contrairement aux télescopes, ne sont pas pointés pour observer un seul champ de vision mais observer le ciel entier. Les détecteurs sont plus sensibles dans certaines directions que dans d'autres, c'est l'une des raisons pour lesquelles il est avantageux d'avoir un réseau de détecteurs. [42] La directionnalisation est également médiocre, en raison du petit nombre de détecteurs.

Dans l'inflation cosmique Modifier

L'inflation cosmique, une période hypothétique où l'univers s'est rapidement étendu pendant les 10 à 36 premières secondes après le Big Bang, aurait donné naissance à des ondes gravitationnelles qui auraient laissé une empreinte caractéristique dans la polarisation du rayonnement CMB. [43] [44]

Il est possible de calculer les propriétés des ondes gravitationnelles primordiales à partir de mesures des modèles de rayonnement micro-ondes et d'utiliser ces calculs pour en savoir plus sur l'univers primitif. [ comment? ]

En tant que jeune domaine de recherche, l'astronomie des ondes gravitationnelles est toujours en développement, mais il existe un consensus au sein de la communauté astrophysique sur le fait que ce domaine évoluera pour devenir une composante établie de l'astronomie multi-messagers du 21e siècle. [45]

Les observations d'ondes gravitationnelles complètent les observations dans le spectre électromagnétique. [46] [45] Ces ondes promettent également de fournir des informations de manière impossible via la détection et l'analyse des ondes électromagnétiques. Les ondes électromagnétiques peuvent être absorbées et réémises d'une manière qui rend difficile l'extraction d'informations sur la source. Les ondes gravitationnelles, cependant, n'interagissent que faiblement avec la matière, ce qui signifie qu'elles ne sont ni dispersées ni absorbées. Cela devrait permettre aux astronomes de voir le centre d'une supernova, des nébuleuses stellaires et même des noyaux galactiques en collision de nouvelles manières.

Des détecteurs au sol ont fourni de nouvelles informations sur la phase inspiratoire et les fusions de systèmes binaires de deux trous noirs de masse stellaire, et la fusion de deux étoiles à neutrons. Ils pourraient également détecter des signaux de supernovae à effondrement de cœur et de sources périodiques telles que des pulsars avec de petites déformations. S'il y a du vrai dans les spéculations sur certains types de transitions de phase ou de sursauts de plis de longues cordes cosmiques dans le tout premier univers (à des temps cosmiques d'environ 10-25 secondes), ceux-ci pourraient également être détectables. [47] Les détecteurs spatiaux comme LISA devraient détecter des objets tels que des binaires constitués de deux naines blanches et des étoiles AM CVn (une naine blanche accrétant de la matière de son partenaire binaire, une étoile à hélium de faible masse), et également observer les fusions de trous noirs supermassifs et l'inspiration d'objets plus petits (entre un et mille masses solaires) dans de tels trous noirs. LISA devrait également être capable d'écouter le même type de sources de l'univers primitif que les détecteurs au sol, mais à des fréquences encore plus basses et avec une sensibilité considérablement accrue. [48]

La détection des ondes gravitationnelles émises est une entreprise difficile. Il s'agit de lasers et de détecteurs de haute qualité ultra-stables calibrés avec une sensibilité d'au moins 2·10 -22 Hz -1/2, comme indiqué sur le détecteur au sol, GEO600. [49] Il a également été proposé que même à partir de grands événements astronomiques, tels que des explosions de supernova, ces ondes sont susceptibles de se dégrader en vibrations aussi petites qu'un diamètre atomique. [50]


Une technique pour tamiser les premières ondes gravitationnelles de l'univers

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Dans les instants qui ont immédiatement suivi le Big Bang, les toutes premières ondes gravitationnelles ont retenti. Produit des fluctuations quantiques de la nouvelle soupe de matière primordiale, ces premières ondulations à travers le tissu de l'espace-temps ont été rapidement amplifiées par des processus inflationnistes qui ont conduit l'univers à une expansion explosive.

Les ondes gravitationnelles primordiales, produites il y a près de 13,8 milliards d'années, résonnent encore dans l'univers aujourd'hui. Mais ils sont noyés par le crépitement des ondes gravitationnelles produites par des événements plus récents, tels que la collision de trous noirs et d'étoiles à neutrons.

Maintenant, une équipe dirigée par un étudiant diplômé du MIT a développé une méthode pour démêler les signaux très faibles des ondulations primordiales à partir des données d'ondes gravitationnelles. Leurs résultats sont publiés cette semaine dans Lettres d'examen physique.

Les ondes gravitationnelles sont détectées presque quotidiennement par LIGO et d'autres détecteurs d'ondes gravitationnelles, mais les signaux gravitationnels primordiaux sont de plusieurs ordres de grandeur plus faibles que ce que ces détecteurs peuvent enregistrer. On s'attend à ce que la prochaine génération de détecteurs soit suffisamment sensible pour capter ces premières ondulations.

Au cours de la prochaine décennie, alors que des instruments plus sensibles seront mis en ligne, la nouvelle méthode pourrait être appliquée pour déterrer les signaux cachés des premières ondes gravitationnelles de l'univers. Le modèle et les propriétés de ces ondes primordiales pourraient alors révéler des indices sur l'univers primitif, tels que les conditions qui ont conduit à l'inflation.

« Si la force du signal primordial se situe dans la plage de ce que les détecteurs de nouvelle génération peuvent détecter, ce qui pourrait être le cas, alors il s'agirait plus ou moins simplement de tourner la manivelle sur les données, en utilisant cette méthode que nous avons développé », explique Sylvia Biscoveanu, étudiante diplômée à l'Institut Kavli du MIT pour l'astrophysique et la recherche spatiale. "Ces ondes gravitationnelles primordiales peuvent alors nous renseigner sur des processus dans l'univers primitif qui sont autrement impossibles à sonder."

Les co-auteurs de Biscoveanu sont Colm Talbot de Caltech, et Eric Thrane et Rory Smith de l'Université Monash.

Un bourdonnement de concert

La chasse aux ondes gravitationnelles primordiales s'est principalement concentrée sur le fond diffus cosmologique, ou CMB, que l'on pense être le rayonnement résiduel du Big Bang. Aujourd'hui, ce rayonnement imprègne l'univers sous forme d'énergie la plus visible dans la bande des micro-ondes du spectre électromagnétique. Les scientifiques pensent que lorsque les ondes gravitationnelles primordiales se sont propagées, elles ont laissé une empreinte sur le CMB, sous la forme de modes B, un type de motif de polarisation subtil.

Les physiciens ont recherché des signes de modes B, notamment avec le BICEP Array, une série d'expériences comprenant BICEP2, qui en 2014, les scientifiques pensaient avoir détecté des modes B. Le signal s'est avéré être dû à la poussière galactique, cependant.

Alors que les scientifiques continuent de rechercher des ondes gravitationnelles primordiales dans le CMB, d'autres recherchent les ondulations directement dans les données d'ondes gravitationnelles. L'idée générale a été d'essayer de soustraire le "premier plan astrophysique" - tout signal d'onde gravitationnelle provenant d'une source astrophysique, telle que la collision de trous noirs, d'étoiles à neutrons et de supernovae explosives. Ce n'est qu'après avoir soustrait ce premier plan astrophysique que les physiciens peuvent obtenir une estimation des signaux non astrophysiques plus silencieux qui peuvent contenir des ondes primordiales.

Le problème avec ces méthodes, dit Biscoveanu, est que le premier plan astrophysique contient des signaux plus faibles, par exemple de fusions plus éloignées, qui sont trop faibles pour être discernés et difficiles à estimer dans la soustraction finale.

"L'analogie que j'aime faire est, si vous êtes à un concert de rock, l'arrière-plan primordial est comme le bourdonnement des lumières sur scène, et le premier plan astrophysique est comme toutes les conversations de tous les gens autour de vous", explique Biscoveanu. . « Vous pouvez soustraire les conversations individuelles jusqu'à une certaine distance, mais celles qui sont vraiment loin ou vraiment faibles se produisent toujours, mais vous ne pouvez pas les distinguer. Lorsque vous allez mesurer à quel point les lumières de la scène bourdonnent, vous obtiendrez cette contamination de ces conversations supplémentaires dont vous ne pouvez pas vous débarrasser parce que vous ne pouvez pas réellement les taquiner.

Une injection primordiale

Pour leur nouvelle approche, les chercheurs se sont appuyés sur un modèle pour décrire les « conversations » les plus évidentes du premier plan astrophysique. Le modèle prédit le schéma des signaux d'ondes gravitationnelles qui seraient produits par la fusion d'objets astrophysiques de masses et de spins différents. L'équipe a utilisé ce modèle pour créer des données simulées de modèles d'ondes gravitationnelles, de sources astrophysiques fortes et faibles telles que la fusion de trous noirs.

L'équipe a ensuite tenté de caractériser chaque signal astrophysique caché dans ces données simulées, par exemple pour identifier les masses et les spins des trous noirs binaires. Tels quels, ces paramètres sont plus faciles à identifier pour les signaux plus forts, et seulement faiblement contraints pour les signaux les plus faibles. Alors que les méthodes précédentes n'utilisent qu'une "meilleure estimation" pour les paramètres de chaque signal afin de le soustraire des données, la nouvelle méthode tient compte de l'incertitude dans chaque caractérisation de modèle, et est ainsi capable de discerner la présence des signaux les plus faibles. , même s'ils ne sont pas bien caractérisés. Biscoveanu dit que cette capacité à quantifier l'incertitude aide les chercheurs à éviter tout biais dans leur mesure du fond primordial.

Une fois qu'ils ont identifié ces modèles distincts et non aléatoires dans les données d'ondes gravitationnelles, ils se sont retrouvés avec des signaux d'ondes gravitationnelles primordiales plus aléatoires et un bruit instrumental spécifique à chaque détecteur.

On pense que les ondes gravitationnelles primordiales imprègnent l'univers sous la forme d'un bourdonnement diffus et persistant, dont les chercheurs ont supposé qu'elles devraient avoir la même apparence, et donc être corrélées, dans deux détecteurs.

En revanche, le reste du bruit aléatoire reçu dans un détecteur doit être spécifique à ce détecteur et non corrélé avec d'autres détecteurs. Par exemple, le bruit généré par la circulation à proximité devrait être différent selon l'emplacement d'un détecteur donné. En comparant les données de deux détecteurs après avoir pris en compte les sources astrophysiques dépendantes du modèle, les paramètres du fond primordial ont pu être déterminés.

Les chercheurs ont testé la nouvelle méthode en simulant d'abord 400 secondes de données d'ondes gravitationnelles, qu'ils ont dispersées avec des motifs d'ondes représentant des sources astrophysiques telles que la fusion de trous noirs. Ils ont également injecté un signal dans les données, semblable au bourdonnement persistant d'une onde gravitationnelle primordiale.

Ils ont ensuite divisé ces données en segments de quatre secondes et appliqué leur méthode à chaque segment, pour voir s'ils pouvaient identifier avec précision les fusions de trous noirs ainsi que le modèle de la vague qu'ils ont injectée. Après avoir analysé chaque segment de données sur de nombreuses simulations et dans des conditions initiales variables, ils ont réussi à extraire le fond primordial enfoui.

« Nous avons pu adapter à la fois l'avant-plan et l'arrière-plan, de sorte que le signal d'arrière-plan que nous obtenons n'est pas contaminé par l'avant-plan résiduel », explique Biscoveanu.

Elle espère qu'une fois que des détecteurs de nouvelle génération plus sensibles seront mis en ligne, la nouvelle méthode pourra être utilisée pour corréler et analyser les données de deux détecteurs différents, afin de filtrer le signal primordial. Ensuite, les scientifiques peuvent avoir un fil conducteur utile qu'ils peuvent remonter aux conditions de l'univers primitif.


Trous noirs primordiaux et origine de l'univers

Le dispositif expérimental pourrait détecter et capturer les petits trous noirs à travers les ondes gravitationnelles qu'ils émettent en cours de fusion, qui s'avèrent contenir des niveaux de fréquences plus élevés que ceux actuellement disponibles, rapporte SciTech Daily.

L'antenne à ondes gravitationnelles qui détecte les trous noirs à petite échelle est composée d'une cavité métallique combinée à un champ magnétique externe. L'appareil a généré des ondes électromagnétiques dans sa cavité lorsque l'onde gravitationnelle a traversé le champ magnétique. Tout ce processus permet à l'onde gravitationnelle de pousser la cavité et d'émettre des micro-ondes réverbérantes au lieu d'une onde sonore, comparable à un sifflement.

L'appareil mesure quelques mètres mais suffit à capturer des fusions de trous noirs primordiaux. La détection des versions plus petites du trou noir situées à des millions d'années-lumière de la Terre est beaucoup plus efficace et compacte contrairement aux détecteurs actuellement disponibles, notamment KAGRA, LIGO et Virgo, qui sont tous de taille massive.

L'idée brevetée de l'appareil est maintenant dans la phase de modélisation théorique avancée. Même s'il n'est pas encore terminé, les équipements nécessaires à l'appareil sont désormais prêts ainsi que les études complémentaires nécessaires pour une phase plus concrète au fur et à mesure de la construction du prototype, rapporte EurekAlert.

Une fois l'appareil terminé, il sera une porte d'entrée vers la recherche fondamentale sur les origines de notre univers à travers la détection des ondes gravitationnelles émises par les trous noirs primordiaux lors du Big Bang.

Découvrez plus d'actualités et d'informations sur Space sur Science Times.


Gros coup de pouce pour le Big Bang

Autrefois, une image d'un point infiniment petit aurait pu être décrite avec une simple légende : « L'univers, taille réelle. » Ce n'est clairement plus le cas, et il est presque unanimement accepté que ce a tout changé était une explosion primitive connue sous le nom de Big Bang, qui s'est produite il y a 13,8 milliards d'années. Maintenant, une seule observation a pratiquement permis de déterminer le Big Bang, éliminant les quelques autres théories scientifiques restantes sur la façon dont l'univers a commencé. En plus, il a enfin confirmé l'existence de ce qu'on appelle les ondes gravitationnelles et l'univers inflationniste.

Les ondes gravitationnelles ont été décrites pour la première fois par Albert Einstein, qui, il y a 99 ans, envisageait tout l'espace-temps comme une sorte de tissu cosmique qui pouvait être déformé et secoué comme un trampoline peut être secoué par une boule de bowling tombée. C'était une théorie élégante, mais personne au siècle dernier n'avait pu la prouver. L'univers inflationniste a été théorisé dans les années 1980 par des physiciens qui ont calculé que dans le premier milliardième de billionième de quadrillionième de seconde après le Big Bang, l'univers s'est étendu si rapidement qu'il a en fait dépassé la vitesse de la lumière.

Si le bon type de tremblement pouvait être repéré, cela prouverait à la fois les ondes gravitationnelles et l'univers inflationniste et renforcerait le Big Bang dans le processus. C'est exactement l'observation faite par une équipe de chercheurs dirigée par l'astrophysicien John Kovac du Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics.

« Quand j'ai reçu l'appel, j'ai dû demander si c'était réel », explique Marc Kamionkowski, un théoricien de l'Université Johns Hopkins qui ne faisait pas partie du groupe Kovac. Avi Loeb, président du département d'astronomie de Harvard et non impliqué dans l'étude, estime que si la découverte tient le coup, "elle vaut un prix Nobel".

Kovac et ses collègues n'ont pas vu de tremblement. Ce qu'ils ont vu à la place, avec l'aide de l'instrument d'imagerie de fond de la polarisation extragalactique cosmique 2, ou BICEP2, au pôle Sud, était une distorsion du rayonnement micro-ondes qui imprègne le cosmos. Cela semble anodin, mais c'est comme voir des ondulations dans un étang, et ces ondulations particulières étaient suffisamment puissantes pour provenir probablement d'un univers inflationniste (check) qui a produit des ondes gravitationnelles (check), qui ont été mises en mouvement par le Big Bang (Chèque).

Le travail doit encore être reproduit par d'autres chercheurs, ce qui est toujours le cas avec la science, en particulier la science de cette ampleur. Mais cette validation devrait venir rapidement. Les cosmologistes de Princeton, Berkeley, de l'Université du Minnesota et d'ailleurs effectuaient déjà un travail similaire, et ils prévoient d'y rester, essayant maintenant de confirmer les découvertes de Harvard-Smithsonian au lieu de faire la découverte par eux-mêmes.

Whether it’s correct or incorrect “will be known very quickly,” says Kamionkowski. When it is known–and when the findings are likely confirmed–the world will not change in the same way it did when smallpox was eradicated or the airplane was invented. But the universe–the entire 13.8 billion-year-old universe–will all at once become a more rational and fathomable place. Not a bad haul for a single observation.


A telescope at the south pole, called Bicep (Background Imaging of cosmic Extragalactic Polarisation), has been searching for evidence of gravitational waves by detecting a subtle property of the cosmic microwave background radiation. This radiation was produced in the big bang. It was originally discovered by American scientists in 1964 using a radio telescope and has been called the "echo" of the big bang. Bicep has measured the large-scale polarisation of this microwave radiation. Only primordial gravitational waves can imprint such a pattern, and only then if they have been amplified by inflation.

The big bang was originally hypothesised by Belgian priest and physicist Georges Lemaître. He called it "the day without yesterday" because it was the moment when time and space began.

But the big bang does not fit all astronomers' observations. The distribution of matter across space is too uniform to have come from the big bang as originally conceived. So in the 1970s, cosmologists postulated a sudden enlargement of the universe, called inflation, that occurred in the first minuscule fraction of a second after the big bang. But confirming the idea has proved difficult. Only inflation can amplify the primordial gravitational wave signal enough to make it detectable. If primordial gravitational waves have been seen, it means that inflation must have taken place.


New technique could uncover gravitational echoes of the Big Bang

Researchers can now sift through the astrophysical noise to see the conditions of the early Universe.

Published: 10th December, 2020 at 15:52

First detected in 2015, gravitational waves have helped scientists understand the development of our Universe from the Big Bang onwards. Gravitational waves are oscillations in spacetime which move like a ripple in water when you skim a stone – if you could skim a stone at the speed of light.

Now researchers at MIT have created a technique which could help detect the fainter signals thought to represent the Universe’s earliest gravitational waves, created only moments after the Big Bang.

While the ripples from more recent history are detected daily, the primordial waves are too faint for current detectors to pick up. Interpreting these early ripples will help us piece together the beginning of the Universe, improving our understanding of the Big Bang.

“These primordial gravitational waves can then tell us about processes in the early Universe that are otherwise impossible to probe,” said Sylvia Biscoveanu, the graduate student who led this development.

Currently, these faint signals are hidden beneath the noise of the “astrophysical foreground” which includes noisy events like colliding black holes and neutron stars from later in the Universe’s history. To uncover the hidden hum of these signals, previous methods have attempted to subtract the drowning noise of more recent signals, but Biscoveanu recognised they were limited by crude estimations of the foreground noise.

Read more about gravitational waves:

“The analogy I like to make is, if you’re at a rock concert, the primordial background is like the hum of the lights on stage, and the astrophysical foreground is like all the conversations of all the people around you,” Biscoveanu said.

“You can subtract out the individual conversations up to a certain distance, but then the ones that are really far away or really faint are still happening, but you can’t distinguish them. When you go to measure how loud the stagelights are humming, you’ll get this contamination from these extra conversations that you can’t get rid of because you can’t actually tease them out.”

Biscoveanu’s team at MIT created models which simulate these ‘conversations’ and predict their weaker gravitational wave signals. They quantified the uncertainty in their measurements and included this in the characterisation of each pattern. When testing their simulation, they were able to distinguish between the foreground and the softer echo of early gravitational waves.

Improvements made on current detectors will increase their sensitivity to hopefully detect these further-off waves. Biscoveanu says she hopes these will be used alongside this new technique to tease out the details of early gravitational waves and colour our understanding of the Universe’s early stages.

Reader Q&A: What would happen if a very strong gravitational wave passed through us?

Asked by: Thomas S Marcotte, USA

Gravitational waves spread out from any violent event involving matter – such as, say, the collision of two black holes. Like gravity, however, they’re incredibly weak, so you’d have to be extremely close to their source in order to feel their effects.

It would definitely feel weird, as they’d create a rhythmic stretching and squashing sensation on the body. But you’d have to be so close to the cataclysm itself that you’d never live to describe it.


The Search for Gravitational Waves

Think of it as a low hum,  a rumble too deep to notice without special equipment. It permeates everything—from the emptiest spot in space to the densest cores of planets. Unlike sound, which requires air or some other material to carry it, this hum travels on the structure of space-time itself. It is the tremble caused by gravitational radiation, left over from the first moments after the Big Bang.

Gravitational waves were predicted in Albert Einstein’s 1916 theory of general relativity. Einstein postulated that the gravity of massive objects would bend or warp space-time and that their movements would send ripples through it, just as a ship moving through water creates a wake. Later observations supported his conception.

The imprint of this type of radiation on the oldest light in the universe—the cosmic microwave background (CMB)—is one prediction of inflation theory, which was first proposed in 1979. That theory states that the universe, originally chaotic quantum noise made of unstable particles and space-time turbulence, expanded at an unimaginable rate, creating these gravitational waves, smoothing out the chaos, and leaving the orderly cosmos we see today.

“Gravitational waves allow us to see all the way back to the start to the universe,” says Katherine Dooley, a postdoctoral researcher at the California Institute of Technology in Pasadena. “The early universe was too dense such that standard electromagnetic waves”—light—“would get scattered off of all the material, and could not travel to us today.” Observing these gravitational waves might confirm what we know about general relativity, or they might give us new insight into the nature of the universe, like whether the Big Bang was the beginning of all time, or if another universe preceded ours. The story of the universe’s origin is best told through this primordial rumble…if we can figure out how to detect it. A few gravitational wave observatories have been built—none has yet detected a wave—and more are planned over the next few decades. It’s an exciting time for astronomers, who may soon have real evidence on which to ground this new branch of one of the oldest scientific disciplines.

A team in Germany stands in front of LISA Pathfinder, a test mission scheduled to launch this year. (ESA) When gravitational waves pass through a tunnel-like observatory, they should change the distance between mirrors at the tunnel’s opposite ends. (Enrico Sacchetti) A ski-equipped LC-130 passes observatories in Antarctica, such as BICEP2 (center), looking at the first light from the universe. (Steffen Richter/Harvard) The Einstein Telescope (artist rendering) is a proposal for a gravitational wave observatory that will be 10 times more sensitive than the current U.S. observatories. (CERN) A 2.5-mile arm stretches out from the gravitational-wave observatory in Washington state. (LIGO Hanford Observatory) How gravitational waves might emanate from a white dwarf binary. (Sterl Phinney/CalTech) At LIGO’s second facility, in Louisiana, engineers inspect the tunnels. (LIGO Livingston Observatory)

Practically every action makes gravitational waves—you can create them by waving your arms—but it takes serious astronomical doings to generate anything powerful enough to be detected. Earth orbiting the sun produces them, but they are low energy (which is good for the long-term stability of our solar system) two pulsars, the ultra-compact remnants of massive stars, locked in binary orbit produce far more substantial waves. As those bodies sweep around each other, they compress and expand the structure of space-time itself, creating a disturbance that travels out at the speed of light.

Gravitational waves from binaries like this are regular, like a pure note from a single string of an instrument. In principle we could trace such a signal back to its source, though, as with sound, triangulation is less precise than for light. Primordial radiation, on the other hand, comes from every place at once, since it was produced everywhere, when the universe was much smaller, and traveled in all directions from where it was created. The ultimate sources were tiny fluctuations in the quantum chaos that was the cosmos right after the Big Bang the gravitational ripples created by the fluctuations stretched out when the universe expanded rapidly into large, solar system-spanning waves.

In the pipe organ that is the gravitational-wave universe, inflation would be the longest, largest pipes, producing sounds so low-pitched they are felt rather than heard. Binary pulsars would lie toward the middle register, and violent catastrophes like supernovas or cosmic collisions would be the short, piccolo pipes. “Hearing” each type of wave requires equipment tuned to the appropriate register.

The principle of detection is simple: As gravitational waves pass by, they massage matter, squeezing and stretching it along the waves’ crests and troughs. The effect of the wave is recorded as its “strain” on the detector, though that strain is tiny by everyday standards. So far, nobody has detected gravitational waves directly, though indirect detections abound. The most famous is the Hulse-Taylor binary pulsar, named for the two researchers who discovered it 40 years ago. Russell Hulse and Joseph Taylor earned a Nobel Prize in physics for their observation that the two pulsars were orbiting closer and closer together, and the energy leaving the system as the orbit decayed was the same as what the general theory of relativity predicted would be lost due to gravitational waves.  Since then, other astronomers identified even stronger gravitational wave sources, including a pair of white dwarfs—the last life stage of stars less massive than the sun—which take just 12 minutes to orbit each other.

But this indirect detection isn’t satisfying: Astronomers want to detect the waves themselves. “As with all new windows you open on the universe, there’s going to be things we’re going to find [with gravitational waves] and we have no idea what the hell they are,” says Matt Benacquista of the University of Texas at Brownsville. Historically, every new type of astronomical observation, from radio waves to gamma rays, has led to unexpected discoveries, and gravitational waves are likely to be no different. “That in many ways is the most exciting part about doing this,” says Benacquista.

Yet for a number of reasons, the problem of direct detection is vexing. Like sound, gravitational waves are comparable in size to whatever produces them. Large systems, like big black holes orbiting each other at the centers of galaxies, will make very-long-wavelength, low-frequency waves, which require suitably huge detectors. Even relatively small sources, such as a pair of pulsars very close to collision, require detectors measuring more than a mile across. If they exist, primordial gravitational waves from inflation would exist at a wide range of wavelengths, but only extremely long ones—those with a wavelength comparable in size to Earth’s orbit around the sun—would provide a large enough signal for astronomers to detect.

Technically we are bathed in the “sound” of gravitational radiation all the time, but the sound is faint and usually too low-pitched. Gravity is by far the weakest of the four fundamental forces of nature, and its influence grows smaller with distance, so when a gravitational wave—even a relatively powerful one—passes by, very little energy gets transferred. To make matters more difficult, since the effect on matter is to push it around, detectors on the ground must deal with interference by anything that could make them vibrate, from earthquakes to big trucks rumbling by.

So observatories must be large, sensitive to faint signals, and isolated as completely as possible from any stray vibrations. That’s a tall order, solved best by building multiple observatories or launching detectors into space. Scientists, being resourceful creatures, are doing both.

Katherine Dooley got hooked  on gravitational radiation research during a summer undergraduate fellowship at Caltech, which, with the Massachusetts Institute of Technology, operates the two Laser Interferometer Gravitational-wave Observatories (LIGO) in the United States: one in Richland, Washington, and the other in Livingston, Louisiana. For her doctoral dissertation, she spent four years designing the apparatus in Livingston to be more sensitive through the use of more laser power. She moved to Hannover, Germany, to do her postdoc research at GEO600, a gravitational wave observatory that began operation in 2002. She’s now back working with LIGO, just in time for the inauguration of the upgrades she helped institute. 

With her experience in detector design, Dooley understands the challenge of gravitational wave observation better than most people. Ground-based observatories like LIGO and GEO600 are similar: powerful laser beams travel down two “arms,” at the ends of which the light strikes a mirror, which reflects it back to its source. When a gravitational wave passes by, the mirror should move, changing the distance the light travels ever so slightly. By running its two observatories simultaneously, LIGO can better eliminate local disturbances—when a gravitational wave passes through Earth, both observatories should feel it. The size of gravitational wave sources necessitates long arms: At the LIGO facilities the arms are four kilometers (two and a half miles) long GEO600’s are 600 meters (hence the name).

Benacquista is the kind of gravitational wave astrophysicist who prefers to take notes with a fountain pen. Like Dooley, he has worked with two observatory projects, one of which was LIGO, from 2006 to 2013, albeit from the theoretical side: He characterizes the sources of gravitational waves that detectors might see. In 1995, a summer research program at NASA’s Jet Propulsion Laboratory connected him with an exciting project just getting started, the Laser Interferometer Space Antenna (LISA). As the name suggests, LISA will be a space-based observatory designed to orbit the sun, made of three small spacecraft in a V-formation, each separated by a million kilometers. The basic operation is similar to LIGO: By measuring the distance between each spacecraft using laser light, researchers can detect a gravitational wave as it compresses or expands the space-time between the spacecraft.

Conceived as a joint project between NASA and the European Space Agency, LISA was originally projected to launch between 2012 and 2016. However, NASA withdrew participation in 2011, leaving the very expensive project entirely up to ESA. By cutting back on the ambition a bit, the project survived as European LISA, or eLISA, but now the launch date is 2034, which is far enough in the future to make any forecasts doubtful. 

“I’m still kind of pessimistic about LISA,” Benacquista says. He’s hopeful that when LIGO detects the signal from colliding neutron stars in the next five years or so, the LISA launch might get pushed up by a few years, but that still doesn’t place it in the next decade. “Hopefully I’ll still be alive!” he laughs ruefully.

On track, however, is the LISA demonstration mission slated to launch later this year. Called LISA Pathfinder, it will test the instrumentation and physical concepts the observatory will use: lasers and masses, which are, like the mirrors on LIGO, designed to move independently of the spacecraft. Additionally, the GRACE Follow-On (Gravitational Recovery And Climate Experiment) mission, targeted to launch in 2017, will observe tiny fluctuations in Earth’s gravitational field by measuring the distance between two independently flying spacecraft, just as LISA will do. The mission is a follow-up to the previous GRACE and GRAIL (Gravity Recovery And Interior Laboratory) probes, which performed the same duty for the moon in 2012. To gravitational wave researchers, the successes of these missions, coupled with the delays on LISA, are a simultaneous joy and frustration.

“Bicep2 is an experiment that aims  to do just one thing and do it well,” says Walt Ogburn, a cosmologist at Stanford University who spent the summer of 2009-2010 at the South Pole installing the telescope. That one thing BICEP2 was designed to do: measure the polarization of the cosmic microwave background. The CMB comes from a time when the universe cooled enough to become transparent, about 380,000 years after the Big Bang. Similar to the way polarizing sunglasses reduce glare by filtering light, various cosmological objects—big galaxies, cosmic dust molecules, and gravitational waves—filter the cosmic background radiation in interesting ways.

“Since these fluctuations [waves] are in space-time, they stretch or compress space—and particles—as they pass,” says Renée Hložek, a postdoc at Princeton University involved with the Atacama Cosmology Telescope polarization project, or ACTPol, in Chile, another experiment to measure the polarization of the CMB. The particles Hložek refers to include photons, the particles of light. Because gravitational waves squeeze space-time in one direction and stretch it in the other (something known as tensor modes), Hložek says, “the pattern of polarization induced from these gravitational waves is very specific.” Experiments like BICEP2 and ACTPol are trying to confirm inflation theory by discovering the primordial gravitational waves such rapid expansion would have created they are observing the light—the CMB—the waves should have polarized.

But while these observatories are very good at measuring polarization, they can’t tell us exactly what is causing it. In March 2014, researchers with BICEP2 announced they detected the polarization—evidence of gravitational waves—and thus confirmed inflation theory. Stanford University even released a moving video showing professor and BICEP2 researcher Chao-Lin Kuo bringing news of the experiment’s results to Andrei Linde, one of the most influential authors of inflation theory. Chao-Lin surprised Linde at his home with champagne to toast the “smoking gun” that proved Linde’s life’s work to be true. The excitement turned out to be premature. More ordinary phenomena—such as dust particles in the Milky Way—can polarize light in a similar way, and after follow-up study by the European Space Agency’s Planck spacecraft, the BICEP2 team revised its initial findings to say that it’s possible the entire signal was caused by cosmic dust.

A successor experiment, BICEP3, installed in Antarctica early this year, along with ACTPol and other studies, will help by adding more data, but gravitational wave signals might still hide from such detection. That brings us back to the question of direct detection. As Walt Ogburn points out, the Big Bang Observer would be able to settle the issue of inflation for good. A possible follow-up to LISA, the project as initially proposed would consist of 12 satellites in three groupings that would orbit around the sun. The vast scale would provide the ability to measure gravitational radiation with wavelengths comparable to the size of the solar system—what we would expect from inflation.

Not only could the Observer confirm results from polarization observatories, it also could discover things about the fundamental structure of the cosmos. As Ogburn points out, these early waves “also represent new physics at energies a trillion times higher than what we can reach at the [Large Hadron Collider].” They could even help settle one of the looming conundrums in modern physics: understanding the quantum mechanical properties of gravity.

Even though LIGO and GEO600 are remarkably sensitive instruments, they are simply too small to observe primordial gravitational waves. Their mission is elsewhere: detecting waves caused by colliding black holes, neutron stars, and other relatively compact objects that pack a lot of energy. And as large as LISA will be, its million-kilometer arms will still be too short for the largest gravitational waves. The Big Bang Observer is currently the best hope we have, and it is far in the future.

Like other gravitational wave researchers, Katherine Dooley and Matt Benacquista are philosophical about the lack of direct detections so far. Gravitational wave research is difficult, and the waves that would be easiest to detect because they’re the most common—those from binary pulsars and black holes—could be detected only by bigger detectors than we can build on Earth’s surface. 

For that reason, nobody in the field was really surprised when the first iterations of LIGO didn’t see anything. Each phase of LIGO was always intended to be a learning process, much as engineers build and test many rocket prototypes before settling on a design to launch valuable payloads aboard. The deepest concern now is “noise hunting,” says Dooley, identifying all the environmental and technical disturbances that could get in the way of being able to see a clear signal from a gravitational wave when one comes along. 

Advanced LIGO, the version with Dooley’s upgrades that began operation last February, has ten times the sensitivity of the original experiment. In practical terms, that means it can “hear” ten times as far, which represents a volume of the universe that is a thousand times greater. In that pocket of space, says Dooley, signals from colliding neutron stars “could be as infrequent as once a year or once every other year, or even as frequent as almost every day.” If Advanced LIGO detected one gravitational wave signal per month, that would be enough to keep researchers busy and happy for some time.

When astronomers finally detect gravitational waves, what doors to our understanding of the universe will open? Benacquista doesn’t mind not knowing in advance: “That’s one of the things I really like about astrophysics. It’s like a game where you’ve been told the conclusion to a story, and now you have to invent the story that got you to that point.” With every new field in astronomy, scientists discovered something unexpected: radio astronomy led to pulsars, X-ray astronomers found black holes, microwave antennas detected the cosmic microwave background. If this first generation of gravitational researchers at last hears the rumble of the first moments of the universe, they may find themselves, thrillingly, at the beginning again. 


Voir la vidéo: Y a-t-il vraiment eu un Big Bang? - Aurélien BARRAU (Août 2021).