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Chronométrage de réseau de pulsars

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Le chronométrage de réseau de pulsars (en anglais Pulsar Timing Array ou PTA) est une mesure astrophysique fondée sur l'observation d'un grand nombre de pulsars. Ces étoiles à neutrons en rotation ont pour particularité d'émettre des ondes radios dans toute direction à intervalles très réguliers avec des temps d'arrivée des pulsations influencés par divers facteurs comme le mouvement de la Terre, fournissant ainsi un moyen de les mesurer. Une des principales applications est la détection d'ondes gravitationnelles, qui sont un des facteurs pouvant modifier les délais d'arrivée des pulsations.

Il existe plusieurs collaborations dédiées au chronométrage de pulsars, comme le North American Nanohertz Observatory for Gravitational Waves (NANOGrav) en Amérique, le Parkes Pulsar Timing Array (PPTA) en Australie, ou l'European Pulsar Timing Array. En 2023, s'appuyant sur près de 15 ans d'observations, plusieurs de ces collaborations annoncent la découverte d'un fond stochastique d'ondes gravitationnelles.

Principe

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La technique se fonde sur l'observation de pulsars, des étoiles à neutrons en rotation dont le champ magnétique est désaxé par rapport à l'axe de rotation. Ce désaxage engendre l'émission d'un faisceau de radiation en direction de l'axe magnétique ; celui-ci, suivant la rotation de l'astre, se retrouve pointé à chaque rotation dans une direction donnée. Un observateur lointain dans cette direction observe ainsi des pulsations très régulières.

Les temps d'arrivée des pulsations peuvent être affectés par différents phénomènes. Par exemple, le mouvement de la Terre sur son orbite autour du Soleil les affecte périodiquement. La fréquence de rotation du pulsar diminue également au cours du temps, à mesure qu'il perd de l'énergie en radiations. Des effets relativistes sur la propagation du signal doivent être pris en compte, comme l'effet Shapiro[1],[2].

En plus de ces différents effets déterministes s'ajoutent des effets de bruit, introduisant des décalages aléatoires. Cela inclut le bruit de mesure du détecteur, les variations naturelles des pulsations émises par le pulsars en raison de phénomènes "atmosphériques" à sa surface, la perturbation du signal par le milieu interstellaire, ou encore l'incertitude sur certains des effets déterministes[1],[2].

Représentation de la courbe de Hellings-Down (violet), en comparaison avec une absence de fond stochastique (vert). Les points bleus représentent les résultats d'observations et leur incertitude.

Les ondes gravitationnelles à très basse fréquence (de l'ordre du nanohertz) peuvent également affecter ces délais. Celles-ci peuvent prendre la forme d'une onde continue émise par une source précise, typiquement une binaire de trous noirs supermassifs, ou d'une nouvelle source de bruit (appelée fond stochastique) causée par l'accumulation d'ondes continues issues d'un grand nombre de sources. Si un tel bruit est observé, son origine gravitationnelle peut être établie en mesurant la corrélation de ce bruit entre les différents pulsars en fonction de leur position relative dans le ciel. Cette corrélation doit alors suivre une courbe particulière, la courbe de Hellings-Down[1],[2],[3].

Historique

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L'idée d'utiliser la régularité des pulsars pour effectuer des mesures astrophysiques est apparue peu après leur découverte, en 1968[4]. Vers la fin des années 70, son application à la détection d'ondes gravitationnelles est théorisée[5],[6], et développée au cours des années 80[3]. La découverte des pulsars millisecondes, sensiblement plus stables, fournit également un meilleur support pour ce type de mesures. En 1990, le premier véritable réseau de pulsars (plutôt que des observations de pulsars individuels) est mis en place, constitué de 3 pulsars observés sur 2 ans[7].

Par la suite, les observations de pulsars se multiplient, et des réseaux plus larges sont définis, généralement autour d'un radiotélescope particulier utilisé pour leur observation. L'observatoire de Parkes débute par exemple les observations de 20 pulsars milliseconde en 2005, formant le PPTA[8]. Il est rapidement suivi par d'autres observatoires, incluant la collaboration NANOGrav en 2007 avec un réseau de 36 pulsars[9] et l'EPTA avec 42 pulsars[10]. À partir de 2016, les différentes collaborations mettent leurs données en commun pour former l'International Pulsar Timing Array[11].

Réseaux existants

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Il existe six grands réseaux de pulsars actifs :

En 2016, l'International Pulsar Timing Array (IPTA) est formé, regroupant les données de PPTA, EPTA et NANOGrav. Leur première publication couvre 44 pulsars, s'étendant ensuite à 65 lors de la deuxième[20]. Il est par la suite rejoint par l'InPTA et le MPTA[21].

Détection

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En 2020, la collaboration NANOGrav annonce l'identification d'un possible fond stochastique après 12,5 ans d'observation. Si l'excès de bruit observé est significatif, elle ne peut pas à ce stade établir son origine gravitationnelle[22].

En juin 2023, l'accumulation de données supplémentaires pour NANOGrav permet de mettre en évidence la nature gravitationnelle du fond stochastique observé, avec une mesure de la courbe de Hellings-Down de manière significative[15]. Cette annonce est accompagnée de résultats similaires de la part de l'EPTA (incluant également des données de l'InPTA)[23], CPTA[18] et PPTA[24]. Le type de source à l'origine de ce fond stochastique n'est pas identifié à ce stade, bien que les binaires de trous noirs supermassifs restent le principal candidat[15].

Notes et références

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  1. 1 2 3 (en) D. C. Backer et R. W. Hellings, « Pulsar Timing and General Relativity », Annual Review of Astronomy and Astrophysics, vol. 24, no 1,‎ , p. 537–575 (ISSN 0066-4146 et 1545-4282, DOI 10.1146/annurev.aa.24.090186.002541, lire en ligne, consulté le )
  2. 1 2 3 Luke Zoltan Kelley, Pulsar Timing Arrays, (DOI 10.48550/arXiv.2505.00797, lire en ligne)
  3. 1 2 (en) R. W. Hellings et G. S. Downs, « Upper limits on the isotropic gravitational radiation background from pulsar timing analysis », The Astrophysical Journal, vol. 265,‎ , p. L39 (ISSN 0004-637X et 1538-4357, DOI 10.1086/183954, lire en ligne, consulté le )
  4. ↑ Charles C. Counselman et Irwin I. Shapiro, « Scientific Uses of Pulsars », Science, vol. 162, no 3851,‎ , p. 352–355 (DOI 10.1126/science.162.3851.352.b, lire en ligne, consulté le )
  5. ↑ (en) S. Detweiler, « Pulsar timing measurements and the search for gravitational waves », The Astrophysical Journal, vol. 234,‎ , p. 1100 (ISSN 0004-637X et 1538-4357, DOI 10.1086/157593, lire en ligne, consulté le )
  6. ↑ (en) M. V. Sazhin, « Opportunities for detecting ultralong gravitational waves », Soviet Astronomy, vol. 22,‎ , p. 36–38 (ISSN 0038-5301, lire en ligne, consulté le )
  7. ↑ (en) R. S. Foster et D. C. Backer, « Constructing a pulsar timing array », The Astrophysical Journal, vol. 361,‎ , p. 300 (ISSN 0004-637X et 1538-4357, DOI 10.1086/169195, lire en ligne, consulté le )
  8. 1 2 (en) R. N. Manchester, G. Hobbs, M. Bailes et W. A. Coles, « The Parkes Pulsar Timing Array Project », Publications of the Astronomical Society of Australia, vol. 30,‎ , e017 (ISSN 1323-3580 et 1448-6083, DOI 10.1017/pasa.2012.017, lire en ligne, consulté le )
  9. 1 2 M A McLaughlin, « The North American Nanohertz Observatory for Gravitational Waves », Classical and Quantum Gravity, vol. 30, no 22,‎ , p. 224008 (ISSN 0264-9381 et 1361-6382, DOI 10.1088/0264-9381/30/22/224008, lire en ligne)
  10. ↑ (en) Michael Kramer et David J. Champion, « The European Pulsar Timing Array and the Large European Array for Pulsars », Classical and Quantum Gravity, vol. 30, no 22,‎ , p. 224009 (ISSN 0264-9381, DOI 10.1088/0264-9381/30/22/224009, lire en ligne, consulté le )
  11. ↑ (en) J. P. W. Verbiest, L. Lentati, G. Hobbs et R. van Haasteren, « The International Pulsar Timing Array: First data release », Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, vol. 458, no 2,‎ , p. 1267–1288 (ISSN 0035-8711 et 1365-2966, DOI 10.1093/mnras/stw347, lire en ligne, consulté le )
  12. ↑ (en) Andrew Zic, Daniel J. Reardon, Agastya Kapur et George Hobbs, « The Parkes Pulsar Timing Array third data release », Publications of the Astronomical Society of Australia, vol. 40,‎ , e049 (ISSN 1323-3580 et 1448-6083, DOI 10.1017/pasa.2023.36, lire en ligne, consulté le )
  13. ↑ Simple Science, « Le European Pulsar Timing Array fait avancer la recherche sur les ondes gravitationnelles », sur Simple Science, (consulté le )
  14. 1 2 Observatoire de Paris-PSL- Centre de recherche en astronomie et astrophysique, « European EPTA consortium wins Royal Astronomical Society award », sur Observatoire de Paris - PSL - Centre de recherche en astronomie et astrophysique, (consulté le )
  15. 1 2 3 « The NANOGrav 15 yr Data Set: Evidence for a Gravitational-wave Background », The Astrophysical Journal Letters, vol. 951, no 1,‎ , p. L8 (ISSN 2041-8205 et 2041-8213, DOI 10.3847/2041-8213/acdac6, lire en ligne)
  16. ↑ (en) Prerna Rana, Pratik Tarafdar, K. Nobleson et Churchil Dwivedi, « The Indian Pulsar Timing Array data release 2: I. Dataset and timing analysis », Publications of the Astronomical Society of Australia, vol. 42,‎ , e108 (ISSN 1323-3580 et 1448-6083, DOI 10.1017/pasa.2025.10066, lire en ligne, consulté le )
  17. ↑ (en) Siyuan Chen, Heng Xu, Yanjun Guo et Bojun Wang, « The Chinese Pulsar Timing Array Data Release I - Single pulsar noise analysis », Astronomy & Astrophysics, vol. 699,‎ , A165 (ISSN 0004-6361 et 1432-0746, DOI 10.1051/0004-6361/202452550, lire en ligne, consulté le )
  18. 1 2 « Searching for the Nano-Hertz Stochastic Gravitational Wave Background with the Chinese Pulsar Timing Array Data Release I », Research in Astronomy and Astrophysics, vol. 23, no 7,‎ , p. 075024 (ISSN 1674-4527, DOI 10.1088/1674-4527/acdfa5, lire en ligne)
  19. ↑ (en) Matthew T Miles, Ryan M Shannon, Daniel J Reardon et Matthew Bailes, « The MeerKAT Pulsar Timing Array: the first search for gravitational waves with the MeerKAT radio telescope », Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, vol. 536, no 2,‎ , p. 1489–1500 (ISSN 0035-8711 et 1365-2966, DOI 10.1093/mnras/stae2571, lire en ligne, consulté le )
  20. ↑ (en) J Antoniadis, Z Arzoumanian, S Babak et M Bailes, « The International Pulsar Timing Array second data release: Search for an isotropic gravitational wave background », Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, vol. 510, no 4,‎ , p. 4873–4887 (ISSN 0035-8711 et 1365-2966, DOI 10.1093/mnras/stab3418, lire en ligne, consulté le )
  21. ↑ (en) « International Pulsar Timing Array », sur International Pulsar Timing Array (consulté le )
  22. ↑ Zaven Arzoumanian, Paul T. Baker, Harsha Blumer et Bence Bécsy, « The NANOGrav 12.5 yr Data Set: Search for an Isotropic Stochastic Gravitational-wave Background », The Astrophysical Journal Letters, vol. 905, no 2,‎ , p. L34 (ISSN 2041-8205 et 2041-8213, DOI 10.3847/2041-8213/abd401, lire en ligne, consulté le )
  23. ↑ (en) J. Antoniadis, P. Arumugam, S. Arumugam et S. Babak, « The second data release from the European Pulsar Timing Array - III. Search for gravitational wave signals », Astronomy & Astrophysics, vol. 678,‎ , A50 (ISSN 0004-6361 et 1432-0746, DOI 10.1051/0004-6361/202346844, lire en ligne, consulté le )
  24. ↑ « Search for an Isotropic Gravitational-wave Background with the Parkes Pulsar Timing Array », The Astrophysical Journal Letters, vol. 951, no 1,‎ , p. L6 (ISSN 2041-8205 et 2041-8213, DOI 10.3847/2041-8213/acdd02, lire en ligne)
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