Synchronisation des montres : le centre du système solaire, à 100 mètres près

Lorsque vous vous imaginez le système solaire , la plupart des gens pensent au Soleil, immobile et fixe au centre, avec tout le reste qui tourne autour. Mais chaque corps du système solaire exerce également sa propre attraction gravitationnelle sur l’étoile, ce qui la fait bouger un tout petit peu.

Par conséquent, le centre gravitationnel précis (ou barycentre) du système solaire n’est pas situé au milieu du Soleil, mais quelque part plus près de sa surface, juste à l’extérieur de celui-ci. Mais il a été difficile de déterminer exactement où se trouve ce barycentre, en raison de la multitude d’influences gravitationnelles en jeu.

Aujourd’hui, grâce à un logiciel spécifique, une équipe internationale d’astronomes a réduit la position du barycentre de notre système solaire à 100 mètres près, ce qui pourrait améliorer considérablement nos mesures des ondes gravitationnelles.

Tout cela est lié aux pulsars. Ces étoiles mortes peuvent tourner extrêmement vite, à l’échelle de la milliseconde, en émettant des faisceaux de rayonnement électromagnétique depuis leurs pôles.

Représentation d’un pulsar. (NASA)

S’ils sont bien orientés, ces faisceaux passent devant la Terre comme un phare cosmique très rapide, créant un signal pulsé extrêmement régulier.

Cette impulsion régulière est utile pour toutes sortes de choses, que ce soit pour sonder le milieu interstellaire ou pour un éventuel système de navigation.

Ces dernières années, des observatoires, dont le North American Nanohertz Observatory for Gravitational Waves (NANOGrav), ont commencé à les utiliser pour rechercher des ondes gravitationnelles de basse fréquence, car les elles devraient provoquer des perturbations très subtiles dans la synchronisation de toute une série de pulsars dans le ciel.

Détection des ondes gravitationnelles à l’aide d’un réseau de pulsars. (David Champion)

Selon l’astronome et physicien Stephen Taylor de l’université Vanderbilt (États-Unis) et de la collaboration NANOGrav :

En utilisant les pulsars que nous observons à travers la Voie lactée, nous essayons d’être comme une araignée assise en silence au milieu de sa toile.

Notre compréhension du barycentre du système solaire est essentielle pour tenter de sentir le moindre picotement dans la toile.

En effet, des erreurs dans le calcul de la position de la Terre par rapport au barycentre du système solaire peuvent affecter nos mesures de la synchronisation des pulsars, qui à leur tour peuvent affecter nos recherches d’ondes gravitationnelles de basse fréquence.

Une partie du problème concerne Jupiter. De très loin, c’est elle qui a l’effet gravitationnel le plus fort sur le Soleil, les forces de traction des autres planètes étant infimes en comparaison. Nous savons combien de temps Jupiter met pour orbiter autour du Soleil, soit environ 12 années terrestres, mais notre appréciation de cette orbite est incomplète.

(Tonia Klein/ NANOGrav Physics Frontier Center)

Auparavant, les estimations de l’emplacement du barycentre s’appuyaient sur le suivi de l’effet Doppler, à savoir comment la lumière des objets change lorsque nous (ou nos instruments) nous en rapprochons ou nous en éloignons, pour calculer les orbites et les masses des planètes. Mais toute erreur dans ces masses et orbites peut introduire des erreurs qui ressemblent beaucoup à des ondes gravitationnelles.

Et lorsque l’équipe a utilisé ces ensembles de données existants pour analyser les données du NANOGrav, elle n’a cessé d’obtenir des résultats incohérents.

Selon l’astronome Michele Vallisneri du Jet Propulsion Laboratory de la NASA :

Nous ne détections rien de significatif dans nos recherches d’ondes gravitationnelles entre les modèles du système solaire, mais nous obtenions de grandes différences systématiques dans nos calculs.

En général, plus de données donnent un résultat plus précis, mais il y avait toujours un décalage dans nos calculs.

C’est là que le logiciel de l’équipe entre en jeu. Il s’appelle BayesEphem, et il est conçu pour modéliser et corriger les incertitudes des orbites du système solaire les plus pertinentes pour la recherche d’ondes gravitationnelles à l’aide de pulsars, Jupiter en particulier.

Lorsque l’équipe a appliqué le BayesEphem aux données du NANOGrav, elle a pu fixer une nouvelle limite supérieure au contexte des ondes gravitationnelles et aux statistiques de détection. Et ils ont pu calculer un nouvel emplacement plus précis du barycentre du système solaire qui, à l’avenir, pourrait permettre des détections d’ondes gravitationnelles de basse fréquence beaucoup plus précises.

Selon Taylor :

Notre observation précise des pulsars disséminés dans la galaxie nous a permis de nous localiser dans le cosmos mieux que nous ne l’avions jamais fait auparavant.

En trouvant les ondes gravitationnelles de cette façon, en plus d’autres expériences, nous obtenons une vue d’ensemble plus holistique de toutes les différentes sortes de trous noirs dans l’Univers.

L’étude publiée dans The Astrophysical Journal : Modeling the Uncertainties of Solar System Ephemerides for Robust Gravitational-wave Searches with Pulsar-timing Arrays et présentée sur le site de l’université Vanderbilt : To find giant black holes, start with Jupiter.