Ondes gravitationnelles : un nouveau signal au cœur de la mission spatiale LISA

Les « Extreme Mass Ratio Inpirals » (EMRIs), soit, des « binaires à rapport de masse extrême », sont formées par un petit objet compact qui se rapproche en spirale d'un trou noir dont la masse est égale à plusieurs millions de fois celle du soleil. L'interaction gravitationnelle entre les deux objets produit des ondes gravitationnelles, c'est-à-dire de minuscules perturbations de l'espace-temps, qui se propagent dans l'Univers à la vitesse de la lumière.

Ces ondes gravitationnelles se situent dans la gamme de fréquences à laquelle la future mission spatiale LISA de l'ESA3 sera sensible. Elles sont invisibles pour les interféromètres actuels LIGO4 et Virgo5 qui observent à des fréquences plus élevées. Au cours de ses quatre années de mission planifiées, LISA détectera de nombreux signaux d'ondes gravitationnelles provenant de différentes populations de sources. Selon diverses études astrophysiques, le taux de détection des EMRIs par LISA reste assez incertain : entre 1 et 1000 par an.

Jusqu'à présent, personne n'a pris en compte l'effet qu'une lentille gravitationnelle peut avoir sur les ondes gravitationnelles émises par les EMRIs. L'effet de lentillage gravitationnel se produit lorsqu'un objet massif (la lentille, qui est généralement une galaxie ou un amas de galaxies), situé le long de la ligne de visée entre la source et l'observateur, courbe l'espace-temps environnant, déviant ainsi le signal émis par la source de sa trajectoire d'origine. Il peut en résulter une amplification du signal et la production d'images multiples, à l'instar de ce qui se passe en optique avec une lentille de verre.

Il est donc naturel de se demander si LISA pourrait détecter des EMRIs qui subissent l'effet d'une lentille gravitationnelle (appelés LEMRIs). C'est l'objet d'un travail récent porté par une équipe interdisciplinaire du Laboratoire des 2 infinis - Toulouse (L2IT), composée de trois femmes et de deux hommes, étudiants et chercheurs, ayant des expertises complémentaires en relativité générale, cosmologie, astrophysique et en analyse de données.

L'équipe a étudié l'effet d'une lentille gravitationnelle induite par des galaxies sur différents modèles de population d'EMRIs, en tenant compte de toutes les incertitudes dues à la physique, encore largement inconnue, qui régit la formation de ces sources. Leurs conclusions indiquent que LISA sera en mesure de détecter jusqu'à 10 LEMRIs par an environ.

Les LEMRIs peuvent être identifiées de manière robuste dans le flux de données de LISA et distinguées des EMRIs standards grâce à une technique totalement indépendante des caractéristiques de la lentille gravitationnelle, évitant ainsi tout biais. Une seule observation d'une LEMRI avec LISA peut offrir des mesures précises non seulement des propriétés de la source, comme c'est souvent le cas en astronomie des ondes gravitationnelles, mais aussi des propriétés de l'objet massif qui définit la lentille elle-même, en particulier sa masse.

Cette étude révèle en outre que la position des LEMRIs dans le ciel soit obtenue avec une bien meilleure précision que celle des EMRIs standard, ce qui augmente la probabilité d'identifier leur galaxie hôte. L'équipe du L2IT a notamment montré que la détection d'une seule LEMRI dont la galaxie hôte aurait été identifiée permettrait une mesure précise de la constante de Hubble - paramètre décrivant la vitesse d'expansion actuelle de l'Univers - dont la valeur insaisissable constitue l'un des plus grands mystères de la cosmologie contemporaine.