L'observatoire néerlandais BlackGEM est à la recherche de sources cosmiques d'ondes gravitationnelles. L'astronome néerlandais Paul Groot veut garder un œil sur l'ensemble du ciel étoilé avec quinze télescopes robots et enregistrer chaque point de lumière variable et clignotant.
Les astronomes de l'Université Radboud de Nimègue étaient de bonne humeur cet automne. Un nouveau télescope avec un diamètre de miroir de 65 centimètres a été placé sur une installation d'essai à l'Institut ASTRON à Dwingeloo. Pas extrêmement grand, mais très lumineux, avec un large champ de vision et équipé d'un détecteur CCD extrêmement sensible (élément à couplage de charge), profondément refroidi par un cryostat construit à Louvain, un thermostat pour les très basses températures.
Normalement, c'est un travail fastidieux de coordonner correctement toutes les pièces et sous-systèmes d'un tel instrument. À Nimègue, il a été immédiatement touché. Les premiers coups d'essai du ciel étoilé étaient presque parfaits. Des étoiles pures en forme de pointe jusqu'au bord du champ de vision, un fonctionnement sans problème, une électronique sans interférence, ... le nouveau télescope a passé tous les tests avec brio.
Paul Groot, le chef du département d'astronomie de l'université, n'en croyait pas sa chance. Cinq ans plus tôt, il avait prévu de chasser les sources cosmiques d'ondes gravitationnelles. Son rêve :quinze télescopes robots qui, ensemble, gardent un œil sur le ciel étoilé et enregistrent chaque point lumineux variable et clignotant. De cette manière, il devrait être possible de détecter le rayonnement visible des étoiles à neutrons et des trous noirs en collision à des milliards d'années-lumière dans l'univers. Ce sont des phénomènes catastrophiques dans lesquels des ondes gravitationnelles sont générées.
Maintenant que les tests de Nimègue avec le prototype ont été un tel succès, ce projet BlackGEM peut vraiment démarrer. Les trois premiers télescopes BlackGEM devraient voir le jour l'année prochaine à l'observatoire européen de La Silla, dans le nord du Chili.
Les ondes gravitationnelles sont des vibrations dans l'espace-temps, causées par des processus extrêmement riches en énergie dans l'univers. Albert Einstein les avait prédits il y a plus de cent ans.Selon sa théorie de la relativité, l'espace et le temps ne sont pas des concepts indépendants et absolus. Au lieu de cela, il existe un continuum espace-temps à quatre dimensions, qui est déformé par la présence de matière.
Par exemple, la masse du soleil provoque une petite courbure dans l'espace-temps environnant. En conséquence, les rayons lumineux des étoiles éloignées sont légèrement déviés et le plan orbital de la planète intérieure Mercure montre une légère rotation supplémentaire. Des effets que les scientifiques ont mesurés il y a longtemps.
La théorie de la relativité d'Einstein prédit également l'existence d'ondes dans l'espace-temps. Ce sont de minuscules distorsions dans la courbure de cette structure quadridimensionnelle, qui se dilatent et se propagent à la vitesse de la lumière. De telles ondes gravitationnelles sont générées par de grandes masses subissant de fortes accélérations, telles que des objets lourds et compacts en orbite autour, en spirale les uns vers les autres et finalement fusionnant. De plus, les masses et les orbites de ces objets déterminent la fréquence et l'amplitude (la "force") des ondes gravitationnelles résultantes.
Lorsque deux étoiles à neutrons entrent en collision, il n'y a pas que des ondes gravitationnelles qui sont produites. Les étoiles à neutrons sont les petits restes super compacts d'étoiles massives qui ont fini leur vie dans de puissantes explosions de supernova. Ils contiennent plus de masse que le soleil, mais toute cette matière est compressée dans une sphère de moins de 30 kilomètres de diamètre. La collision de deux de ces objets bizarres ou d'une étoile à neutrons et d'un trou noir génère un chaudron nucléaire dans lequel de grandes quantités d'éléments lourds se forment, y compris des métaux précieux tels que l'or et le platine. Il libère également une énorme quantité de rayonnement électromagnétique, du rayonnement infrarouge via la lumière visible aux rayons X et rayons gamma riches en énergie.
C'est ce rayonnement électromagnétique que BlackGEM poursuivra. « Noir » fait référence aux trous noirs, « GEM » signifie « homologue électro-magnétique à ondes gravitationnelles ». Dès que des instruments sensibles sur Terre détectent le passage d'une onde gravitationnelle, la direction d'origine est déterminée aussi précisément que possible en quelques minutes. Les télescopes BlackGEM tournent alors dans la bonne direction de manière entièrement automatique, espérant capter le signal lumineux correspondant. Cela permet de localiser avec précision la source des ondes gravitationnelles dans le ciel, de déterminer la distance et d'en savoir plus sur ce qui s'est exactement passé.
L'astronome de Nimègue Paul Groot sait de quoi il parle. Il y a vingt ans, il a été le premier à résoudre le mystère des mystérieux sursauts gamma de la même manière, avec son collègue Titus Galama.
Les sursauts gamma sont de courtes rafales de rayons gamma à très haute énergie qui se produisent quelque part dans le ciel en moyenne une ou deux fois par jour. Bien que des milliers aient été observés en 1997, principalement par un grand télescope spatial de la NASA, personne ne savait ce qui les avait provoqués et à quelle distance. Il pourrait s'agir d'explosions relativement petites sur des étoiles proches ou d'éruptions incroyablement puissantes à des milliards d'années-lumière.
Les astronomes n'ont jamais été habitués à précipiter les travaux, dit Groot. "Une supernova qui explose aujourd'hui peut aussi être observée demain ou la semaine prochaine. Une réponse rapide était essentielle pour ces sursauts gamma. La lumière visible émise en même temps qu'un sursaut gamma s'éteint en très peu de temps.'
En février 1997, Groot et Galama ont réussi à photographier une telle rémanence optique avec le télescope William Herschel sur l'île canarienne de La Palma, quelques heures seulement après que le satellite néerlando-italien BeppoSAX eut détecté le sursaut gamma. Il est vite devenu évident que les sursauts gamma provenaient de galaxies lointaines et qu'il s'agissait des explosions les plus puissantes de l'univers.
Avec BlackGEM, Groot espère égaler ou même surpasser le succès du sursaut gamma de 1997. « La technologie s'est énormément améliorée au cours des vingt dernières années. Un télescope robotique n'a plus rien de spécial. Nous disposons de capteurs CCD beaucoup plus grands, le transport de grandes quantités de données n'est plus un problème et il existe de puissants algorithmes de recherche pour détecter les changements de points lumineux. Au début des sursauts gamma, cela se passait plus ou moins visuellement." Tout comme pour les sursauts gamma, la première identification optique d'une source d'ondes gravitationnelles est susceptible de révolutionner le domaine.
C'est en 2011, lors d'un congé sabbatique au California Institute of Technology (Caltech) de Pasadena, que Groot a réalisé pour la première fois qu'il était temps d'agir. Les scientifiques cherchaient depuis des années les ondes gravitationnelles avec les deux détecteurs américains LIGO, sans succès. Comme on pouvait s'y attendre, les concepteurs de l'Observatoire d'interférométrie laser à ondes gravitationnelles se sont rendu compte que la première version de leur détecteur aurait probablement une sensibilité insuffisante pour détecter les ondulations spatio-temporelles extrêmement faibles.
En 2011, ils ont lancé une mise à niveau majeure vers Advanced LIGO, avec une sensibilité beaucoup plus élevée. Ce nouveau détecteur serait prêt en 2015 ou 2016. "Ensuite, j'ai dit à mes collègues :nous devons entrer maintenant, car nous réussirons bientôt", déclare Groot.
La première détection d'une onde gravitationnelle, capturée le 14 septembre 2015 et rendue publique le 11 février 2016, est survenue plus tôt que prévu pour de nombreux scientifiques. Advanced LIGO venait juste d'être "activé" et la première période d'observation officielle n'avait même pas encore commencé. Au cours de cette première exécution, qui a duré jusqu'à la mi-janvier 2016, deux autres ondes gravitationnelles ont été détectées.
Dans les trois cas, les trous noirs tournaient les uns autour des autres à un rythme rapide, tournaient en spirale les uns vers les autres et finissaient par entrer en collision les uns avec les autres. Ce sont des événements improbablement explosifs qui se sont produits dans des galaxies à plusieurs milliards d'années-lumière.
Parce que seuls deux détecteurs ont "vu" ces perturbations infimes dans l'espace-temps - un dans l'État de Washington et un en Louisiane - les scientifiques du LIGO n'ont pas été en mesure de déterminer avec précision la direction d'origine du signal. Tout au plus pourraient-ils repérer une zone colossale, plus ou moins en forme de banane dans le ciel étoilé où la source des ondes gravitationnelles devrait se trouver quelque part. Bien sûr, il y a eu des tentatives pour rechercher des phénomènes lumineux temporaires, d'éventuelles "rémanences", dans cette zone, mais personne n'a été surpris qu'ils n'aient pas été trouvés. C'était comme chercher une aiguille dans une botte de foin. De plus, il n'était même pas clair si la collision et la fusion de deux trous noirs produiraient un rayonnement électromagnétique.
L'automne dernier, la deuxième période d'observation d'Advanced LIGO a débuté, avec une sensibilité supplémentaire de 10 % supérieure. Les résultats n'ont pas encore été annoncés, mais on s'attend à ce qu'au moins cinq à dix signaux soient détectés pendant environ six mois. Des astronomes comme Groot attendent avec impatience le printemps, lorsque Advanced Virgo se joindra à la chasse. Virgo près de Pise en Italie est l'équivalent européen de LIGO et ce détecteur a également été considérablement amélioré ces dernières années. Avec trois points d'observation, vous pouvez retracer l'origine des ondes gravitationnelles cosmiques beaucoup plus précisément. Trouver une contrepartie optique devient soudain à portée de main.
Les zones de recherche dans le ciel sont encore des dizaines de degrés carrés. En comparaison, la pleine lune occupe moins d'un quart de degré carré. De plus, dans la plupart des cas, les zones de recherche seront à nouveau très allongées. C'est précisément la force de BlackGEM, déclare Groot. Parce que l'observatoire se compose de plusieurs télescopes, vous pouvez chacun vous concentrer sur une partie différente de la zone de recherche. Dans la première phase, pour laquelle 4,4 millions d'euros ont été mis à disposition, trois télescopes seront construits, qui prendront une image toutes les minutes avec une surface combinée de 8,1 degrés carrés. À l'avenir, vous pourrez facilement étendre le réseau à quatre, six ou quinze télescopes. C'est le but ultime de Grand.
Les télescopes BlackGEM s'élèvent à l'observatoire européen de La Silla, sur le site du bâtiment vide de l'ancien télescope français MarLy. Chaque télescope aura sa tente-dôme et une tour de 7 mètres de haut, semblable à la tour du télescope solaire hollandais de La Palma. "Il y a plus qu'assez d'espace là-bas pour douze autres de ces tours", déclare Groot, qui espère ardemment que plus d'argent sera mis à disposition pour l'expansion prévue dans un proche avenir, peut-être aussi de la part de partenaires étrangers. Les trois premiers instruments devraient être opérationnels à l'été 2018.
Bien sûr, les télescopes BlackGEM ne restent pas inactifs s'ils ne poursuivent pas les homologues optiques des sources d'ondes gravitationnelles. Avec leur large champ de vision et leurs détecteurs sensibles, ils enregistrent et surveillent en permanence le ciel austral, à la recherche de toutes sortes d'autres phénomènes lumineux transitoires, tels que des explosions de supernova, des étoiles de flamme, des collisions d'astéroïdes, des rémanences de sursauts gamma, etc. .
« Ce qui se passe dans le ciel étoilé à des échelles de temps de quelques heures est pratiquement inconnu », déclare Groot. "Certainement quand il s'agit de phénomènes si faibles qu'on ne peut les observer qu'avec de grands télescopes."
L'espoir est que BlackGEM fera la lumière sur les catastrophes cosmiques qui déclenchent la production d'ondes gravitationnelles. Celles-ci se chevauchent en partie avec les sources de sursauts gamma :les sursauts gamma les plus courts proviennent d'étoiles à neutrons en collision. Vraisemblablement, vous ne pouvez voir un tel sursaut gamma que si vous visualisez la collision depuis la Terre sous un angle spécial. Les rayons gamma sont principalement émis dans deux directions opposées. La lueur visible momentanée que vous voyez dans d'autres directions commence probablement par un signal bleu à haute énergie, puis devient rapidement rouge. C'est du moins ce que prédisent les théories actuelles.
BlackGEM n'est certainement pas le seul observatoire à chasser les "homologues électromagnétiques" des ondes gravitationnelles. Par exemple, l'ancien télescope Samuel Oschin de 1,2 mètre de l'observatoire du mont Palomar en Californie a été converti ces dernières années en un télescope robotique doté d'une caméra CCD très sensible. Cette installation transitoire de Zwicky, du nom de l'astronome américano-suisse Fritz Zwicky, est l'un des principaux concurrents du projet de Nimègue. Mais le projet californien ne peut passer qu'une partie limitée de son temps d'observation à rechercher des sources d'ondes gravitationnelles. "BlackGEM est le seul observatoire majeur qui sera bientôt entièrement dédié aux observations de suivi des nouvelles détections de LIGO et de Virgo", déclare Groot.
