C'est pourquoi nous devrions installer un observatoire d'ondes gravitationnelles sur la Lune

Les scientifiques ont détecté la première onde gravitationnelle prévue depuis longtemps en 2015 et depuis lors, ils sont avides de meilleures découvertes. Mais la Terre est chaude et pleine de bruit sismique, ce qui limitera toujours l’efficacité des détecteurs au sol.

La Lune est-elle le bon endroit pour un nouvel observatoire des ondes gravitationnelles ? C'est probablement le cas. L’envoi de télescopes dans l’espace a bien fonctionné, et l’installation d’un observatoire GW sur la Lune pourrait tout aussi bien, même si la proposition est très complexe.

L’essentiel de l’astronomie concerne la lumière. Mieux nous le ressentons, plus nous en apprenons sur la nature. C'est pourquoi des télescopes comme Hubble et JWST sont dans l'espace. L'atmosphère terrestre déforme les images des télescopes et bloque même une partie de la lumière, comme le rayonnement infrarouge. Les télescopes spatiaux surmontent ces deux problèmes et ont révolutionné l’astronomie.

Les ondes gravitationnelles ne sont pas légères, mais leur détection nécessite néanmoins une extrême sensibilité. Tout comme l'atmosphère terrestre peut introduire du « bruit » dans les observations au télescope, l'activité sismique terrestre peut également causer des problèmes aux détecteurs d'ondes gravitationnelles. La Lune a un énorme avantage sur notre planète dynamique et en constante évolution : elle a beaucoup moins d’activité sismique.

Nous savons depuis l'époque d'Apollon que la Lune est sujette à une activité sismique. Mais contrairement à la Terre, la majeure partie de son activité est liée aux forces de marée et aux petits impacts de météorites. La majeure partie de son activité sismique est beaucoup plus faible et plus profonde que celle de la Terre. Cela a attiré l’attention des chercheurs qui ont développé l’antenne à ondes gravitationnelles lunaires (LGWA).

Les développeurs LGWA ont rédigé un Nouveau papier« Antenne à ondes gravitationnelles lunaires : études de mission et statut scientifique » et publié sur le site Web arXiv Serveur d'impression avancé. L'auteur principal est Parameswaran Ajith, physicien/astrophysicien du Centre international des sciences théoriques, Institut Tata de recherche fondamentale, Bangalore, Inde. Ajith est également membre de la collaboration scientifique LIGO.

Un observatoire des ondes gravitationnelles (GWO) sur la Lune comblerait une lacune dans la couverture des fréquences.

« Compte tenu de la taille de la Lune et du bruit attendu généré par le fond sismique lunaire, LGWA sera en mesure d'observer des GW d'environ 1 MHz à 1 Hz », écrivent les auteurs. « Cela ferait de LGWA le chaînon manquant entre les détecteurs spatiaux tels que LISA avec des sensibilités maximales de l'ordre de quelques millihertz et les futurs détecteurs au sol proposés tels que le télescope Einstein ou Cosmic Explorer. »

S’il est construit, LGWA consisterait en un ensemble de détecteurs à l’échelle planétaire. Les conditions uniques de la Lune permettront à LGWA d’ouvrir une plus grande fenêtre sur la science des ondes gravitationnelles. La Lune a une très faible activité sismique de fond, que les auteurs qualifient de « silence sismique ». L'absence de bruit de fond permettra des détections plus sensibles.

La Lune a également des températures extrêmement basses dans ses régions d’ombre permanente (PSR). Les détecteurs doivent être très froids et les températures froides dans les PSR facilitent cette tâche. Le LGWA sera composé de quatre détecteurs situés dans un cratère PSR situé à l'un des pôles de la Lune.

LGWA est une idée ambitieuse avec des retombées scientifiques qui pourraient changer la donne. Combiné à des télescopes qui observent à travers le spectre électromagnétique et à des détecteurs de neutrinos et de rayons cosmiques – appelé astronomie multi-messagers – cela pourrait améliorer notre compréhension de l’ensemble des événements cosmiques.

LGWA disposera de capacités uniques pour détecter les explosions cosmiques. « Seul LGWA peut surveiller les événements astrophysiques impliquant des WD (naines blanches) tels que les événements de perturbation des marées (TDE) et SNe Ia », expliquent les auteurs. Ils soulignent également que seule la LGWA sera en mesure d’avertir les astronomes des semaines, voire des mois à l’avance, de la fusion de binaires compacts de masse solaire, y compris les étoiles à neutrons.

LGWA sera également capable de détecter le trou noir de masse intermédiaire (IMBH) le plus léger du premier univers. Les IMBH ont joué un rôle dans la formation des trous noirs supermassifs (SMBH) actuels au cœur de galaxies comme la nôtre. Les astrophysiciens ont de nombreuses questions sans réponse sur les trous noirs et leur évolution, et LGWA devrait aider à répondre à certaines d'entre elles.

Les fusions de doubles naines blanches (DWD) en dehors de notre galaxie sont une autre chose que seule la LGWA pourra détecter. Il peut être utilisé pour mesurer la constante de Hubble. Au fil des décennies, les scientifiques ont obtenu des mesures plus précises de la constante de Hubble, mais des incohérences demeurent.

LGWA nous en dira également plus sur la Lune. Ses observations sismiques révéleront la structure interne de la Lune avec plus de détails que jamais. Les scientifiques ne savent pas encore grand-chose de sa formation, de son histoire et de son développement. Les observations sismiques réalisées par LGWA permettront également de mieux comprendre les processus géologiques de la Lune.

La mission LGWA est encore en développement. Avant de pouvoir le mettre en œuvre, les scientifiques doivent en savoir plus sur l’endroit où ils envisagent de le mettre en œuvre. C'est là que la tâche initiale de Soundcheck entre en jeu.

En 2023, l'Agence spatiale européenne a sélectionné Soundcheck dans le cadre de sa collection de réserve pour les activités scientifiques lunaires. Soundcheck mesurera non seulement le déplacement sismique de la surface, les fluctuations magnétiques et la température, mais servira également de mission de démonstration pour la technologie. « La validation de la technologie Soundcheck se concentre sur le déploiement, la mécanique et les lectures de détection inertielle, la gestion thermique et la mise à niveau de la plate-forme », expliquent les auteurs.

En astronomie, en astrophysique, en cosmologie et dans les efforts scientifiques connexes, nous semblons toujours être à la veille de nouvelles découvertes et d’une nouvelle compréhension de l’univers et de la manière dont nous nous y adaptons. La raison pour laquelle cela semble toujours être le cas, c'est parce que c'est vrai. Les humains s’améliorent de plus en plus dans ce domaine, et l’émergence et la prospérité de la science de la GW en sont un exemple, même si nous n’en sommes qu’au début. Cela ne fait même pas dix ans que les scientifiques ont découvert le premier GW.

Où vont les choses à partir d’ici ?

« Malgré la feuille de route bien développée pour la science des GW, il est important de réaliser que l'exploration de notre univers avec les GW en est encore à ses balbutiements », écrivent les auteurs dans leur article. « En plus de l'énorme impact attendu sur l'astrophysique et la cosmologie, ce domaine recèle un grand potentiel de découvertes fondamentales et inattendues. »