Une étude, dont les résultats intitulés «First Predictions of the Angular Power Spectrum of the Astrophysical Gravitational Wave Background» sont publiés dans la revue Physical Review Letters, a permis d'établir les propriétés des anisotropies du fond stochastique d’ondes gravitationnelles généré par toutes les sources astrophysiques non résolues et fait la première prédiction du spectre angulaire de cette nouvelle observable astrophysique.

En fait, c'est «la détection directe des ondes gravitationnelles par LIGO et Virgo» qui a ouvert «une nouvelle voie observationnelle en astrophysique» puisque l'analyse des quelques systèmes binaires de trous noirs et d’étoiles à neutrons observés lors de leur coalescence «apporte déjà de nombreuses informations sur ces systèmes»: concrètement, dans ce travail, «l’amplitude de la densité moyenne du fond astrophysique stochastique d’ondes gravitationnelles a été contrainte par l’expérience LIGO et les expériences de chronométrage de pulsar, qui étudient aujourd’hui la possibilité de détecter les anisotropies aux grandes échelles angulaires».

Remarquons en premier lieu que si «chaque galaxie possède de nombreuses sources d’ondes gravitationnelles: systèmes binaires de trous noirs et d’étoiles à neutrons, trous noirs supermassifs, supernovae etc», la grande majorité de ces systèmes «ont une puissance trop faible pour être individuellement détectée».

Cependant, «ces sources non‐résolues contribuent collectivement à la production d’un fond stochastique d’ondes gravitationnelles» (tout à fait «similaire au fond diffus infrarouge produit par toutes les sources optiques non‐résolues»), dont les propriétés «dépendent autant de la cosmologie (qui décrit l’évolution des grandes structures de l’univers) de l’histoire de formation des galaxies et de l’astrophysique».

Plus précisément, «le taux cosmique de formation d’étoiles et le scénario d’évolution stellaire déterminent le taux de formation de trous noirs et d’étoiles à neutrons ainsi que l’abondance et l’évolution des systèmes binaires, cela en fonction du temps». De ce fait, dans le cadre de l'étude ici présentée, un modèle semi‐analytique a été élaboré pour «modéliser les différentes populations sources d’ondes gravitationnelles».

Comme «la relativité générale permet de décrire le rayonnement gravitationnel» pour chacune de ces populations, «la luminosité en onde gravitationnelle des galaxies en fonction des caractéristiques de ces dernières (masse, fraction d’éléments chimiques complexes, âge)» a pu être calculée. Ensuite, grâce à la cosmologie, la distribution des galaxies, qui «dépend à la fois des conditions initiales sur les inhomogénéités de la distribution de matière générée dans l’univers primordial pendant la phase d’inflation et de leur évolution», a pu être décrite .

Le couplage du modèle astrophysique et du modèle cosmologique a permis de prédire «les propriétés statistiques de ce fond d’ondes gravitationnelles, et en premier lieu son spectre de puissance angulaire dans différentes bandes de fréquence». Ainsi, «à la fréquence de 100 Hz, les fluctuations du signal sont de l’ordre de 30% par rapport à sa valeur moyenne» et il a été aussi «établi une expression analytique de ce spectre aux grandes échelles angulaires».

Toutes ces informations «sont capitales pour pouvoir détecter ce signal» qui «dépend de nombreux paramètres astrophysiques encore mal connus (distribution des systèmes binaires, fraction de trous noirs dans des systèmes binaires, évolution des galaxies, etc.)». De ce fait, cette étude qui «laisse entrevoir une possibilité pour mesurer des paramètres inaccessibles autrement» ouvre «de nombreuses perspectives en astrophysique, en particulier pour contraindre le taux de formation de systèmes binaires et de leur coalescence ou la répartition spatiale des trous noirs».

En outre, comme il a aussi été «démontré que ce signal d’ondes gravitationnelles était corrélé à d’autres observables cosmologiques comme la distribution des galaxies et le effets de lentilles gravitationnelles faibles», ces corrélations «permettent de comparer entre elles la distribution de la matière visible (galaxies), de la matière noire (effets de lentilles gravitationnelles) et des trous noirs offrant une information inaccessible en astronomie optique».