Pulsar Timing Array

Les expériences Pulsar Timing Array (PTA) surveillent et mesurent avec précision les temps d'arrivée des impulsions des pulsars millisecondes (voir le contexte sur les pulsars ci-dessous). A partir de ces mesures, il est possible de rechercher les ondes gravitationnelles (GW) car elles affectent la propagation des impulsions dans l'espace (voir illustration ci-dessous).

Gravitational Wave Detection Scheme
by a network of pulsars
(© D. Champion)
Plusieurs processus physiques peuvent provoquer des écarts par rapport aux heures d'arrivée prévues des impulsions radio parmi lesquelles (les plus pertinentes pour nous) sont les GW. Les sources les plus prometteuses dans la partie nano-Hz du spectre des GW sont les binaires de trous noirs supermassifs (SMBHB) qui se forment via les fusions de galaxies massives. Les SMBHB en orbite produisent un fond stochastique d'ondes gravitationnelles (GWB), des signaux continus périodiques individuels et des rafales GW transitoires. Le GWB se manifeste comme un processus de bruit corrélé temporellement et spatialement dans les temps d'arrivée des impulsions. Il existe d'autres sources potentielles de GWB dans la bande PTA : un réseau de cordes cosmiques, des fluctuations quantiques du champ gravitationnel amplifiées par l'inflation et divers autres processus énergétiques dans l'Univers primordial tels que la transition de phase, la turbulence. Trois grandes collaborations mondiales PTA, NanoGrav (Amérique du Nord), European Pulsar Timing Array (EPTA) et PPTA (Australie) forment un PTA international qui est un consortium de consortiums.

EPTA et APC

Le groupe PTA du laboratoire APC travaille en étroite collaboration avec le LPC2E (Orléans) et la station de radioastronomie de Nançay dont le Grand RadioTélescope produit près de 50% des données européennes. Nous recherchons des GW dans la bande nano-Hz au sein de la collaboration EPTA (European PTA) qui combine les observations de 5 radiotélescopes : Nançay (France), Effelsberg (Allemagne), Jodrell Bank (Royaume-Uni), Westerbork (Pays-Bas) et Sardaigne Radiotélescope (Italie). APC est également membre de la collaboration internationale PTA. La principale contribution de l'APC se situe dans le domaine de l'analyse des données.

Un peu de contexte autour des pulsars

Les pulsars sont des étoiles à neutrons magnétisées en rotation rapide qui émettent un faisceau d'ondes électromagnétiques comme un phare. Les pulsars millisecondes sont des rotateurs particulièrement stables et sont considérés comme des horloges presque parfaites. La synchronisation ultra-précise de leur émission radio permet non seulement de comprendre le système pulsar lui-même mais aussi de détecter les ondes gravitationnelles (GW) dans la bande de fréquence du nanoHertz. Certains pulsars sont chronométrés avec une précision supérieure à 100 ns sur une période d'observation d'environ 20 ans.

Scheme of a pulsar (© NRAO)

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