ZTFJ1539 : comment LISA pourrait étudier une binaire de période ultracourte

Les ondes gravitationnelles offrent une façon d’étudier les phénomènes cosmiques qui diffère de l’observation de la lumière. La mission prévue LISA — Laser Interferometer Space Antenna — sera un détecteur spatial dont la sensibilité maximale se situera dans la plage de fréquences occupée par les binaires compactes de courte période. ZTFJ1539+5027 appartient à cette catégorie et était déjà connue grâce à des observations électromagnétiques. Littenberg et Cornish ont cherché à déterminer quelles informations supplémentaires LISA pourrait apporter une fois opérationnelle : leurs chiffres sont des prévisions fondées sur des simulations, et non des résultats d’observation.

Les auteurs ont soumis leur travail à arXiv le 2 août 2019 et publié la version 2 le 5 août. Cette version indique que l’article a été accepté dans Astrophysical Journal Letters. Le texte intégral expose la méthode et les projections dans sa version 2 sur arXiv. À titre de contexte, un autre article a annoncé la découverte de ZTFJ1539+5027 comme binaire à éclipses de deux naines blanches, avec une période orbitale de 6,91 minutes et une décroissance rapide de l’orbite compatible avec la relativité générale (article de découverte).

Comment les simulations ont été construites

L’analyse est partie des paramètres du système mesurés par des observations électromagnétiques et les a utilisés pour produire un signal gravitationnel de référence. Ces mesures ne déterminaient pas certaines caractéristiques du signal : sa polarisation et sa phase initiale. Les chercheurs ont attribué des valeurs aléatoires à ces paramètres selon des distributions uniformes. Ils ont ensuite appliqué une méthode destinée à détecter et caractériser les binaires compactes dans des données simulées de LISA.

L’équipe a étudié des durées d’observation hypothétiques de un, deux, quatre et huit ans. Dans l’article, quatre ans constituent la durée nominale de référence et huit ans représentent un scénario possible de mission prolongée. Il ne s’agit pas de périodes déjà observées par LISA. La recherche était également ciblée : la position céleste de ZTFJ1539 était fixée à l’avance et l’analyse se concentrait sur l’étroite bande de fréquences contenant son signal. Ces conditions délimitent la portée des prévisions.

Un signal marqué dans le modèle

Pour environ quatre années de données simulées, les auteurs ont obtenu un rapport signal sur bruit proche de 140. En faisant varier aléatoirement la polarisation et la phase initiale, environ 20 % des simulations permettaient une détection en une semaine lorsque la recherche ciblait précisément la position céleste de la source. Ce résultat de détection rapide dépendait des valeurs de ces deux paramètres.

Dans les simulations, la source serait détectable sans ambiguïté après environ un mois, quelles que soient ces conditions initiales. L’étude a aussi examiné la présence possible d’autres binaires dans la bande analysée à l’aide de simulations de populations galactiques. Pour la durée nominale considérée, les auteurs ont conclu que la probabilité que ZTFJ1539 se confonde avec une autre source ou soit mal identifiée était faible. Cette conclusion vaut dans le scénario modélisé ; elle ne garantit pas ce qui se produira avec des données futures.

Améliorations prévues de l’inclinaison et de la distance

L’inclinaison décrit l’orientation de l’orbite par rapport à l’observateur. Selon les simulations, LISA pourrait la mesurer avec une incertitude d’un écart-type d’environ 1° après un an et de 0,15° après huit ans dans le scénario prolongé. L’article compare cette dernière précision à la mesure électromagnétique dont disposait l’étude et l’estime environ cinq fois meilleure.

La distance pourrait également bénéficier de la combinaison des informations électromagnétiques et gravitationnelles. Après deux années simulées, la précision prévue serait comparable à celle fournie à l’époque par les observations électromagnétiques ; avec une mission prolongée, la mesure pourrait s’améliorer d’un facteur 10. Les auteurs ajoutent que cette amélioration pourrait survenir au bout d’environ un an si un suivi électromagnétique continu permettait de mieux mesurer l’évolution orbitale. Cette estimation suppose que cette évolution est dominée par l’émission d’ondes gravitationnelles, comme le prévoit la relativité générale, et tient compte de l’incertitude liée à la dissipation des marées.

La combinaison des observations réunirait des informations différentes : l’analyse gravitationnelle pourrait mesurer directement la distance et l’inclinaison et contraindre indépendamment la dynamique orbitale. Dans le modèle, les changements orbitaux liés à l’émission gravitationnelle pourraient aussi aider à séparer des paramètres autrement difficiles à distinguer. C’est une possibilité avancée par l’étude, pas un résultat déjà observé pour cette source.

La vitesse de propagation de la gravitation et les limites des prévisions

Les chercheurs ont aussi étudié la comparaison entre les horaires des éclipses mesurés électromagnétiquement et la phase initiale du signal gravitationnel. Dans les simulations, LISA pourrait déterminer ces horaires avec une précision de moins d’une seconde. À partir de cette comparaison, l’article propose une contrainte nouvelle : la vitesse de propagation de la gravitation se situerait à moins de 3,2 (2,1) × 10⁻¹² de la vitesse de la lumière. C’est la notation de l’article ; il ne s’agit pas d’une mesure effectuée pour ZTFJ1539. Les auteurs indiquent que cette contrainte serait environ 1 000 fois plus faible que celle obtenue grâce aux observations gravitationnelles et électromagnétiques conjointes de GW170817, tout en portant sur des fréquences et des environnements très différents.

Les chiffres dépendent des paramètres électromagnétiques initiaux, du modèle de signal, de la durée simulée et des hypothèses d’analyse. Pour les autres paramètres gravitationnels libres, les auteurs ont utilisé des distributions a priori uniformes. Ils ont également considéré la présence possible d’autres sources dans la bande, même si leur analyse principale portait sur la source ciblée. L’article présente donc une évaluation prospective conditionnée par ces choix, et non le compte rendu d’une observation réelle.

En résumé : l’étude de 2019 montre comment ZTFJ1539+5027 pourrait aider à combiner observations électromagnétiques et données d’ondes gravitationnelles. Ses simulations prévoient une source détectable, de possibles progrès sur l’inclinaison et la distance, ainsi qu’une contrainte sur la vitesse de propagation de la gravitation. La distinction essentielle est qu’il s’agit de prévisions pour LISA, et non de détections ou de tests déjà réalisés avec cette binaire.