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.
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].
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
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].
