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Ondes gravitationnelles et trous noirs, acte 2

15.06.2016, par

Yaroslav Pigenet

Vue d’artiste de la fusion de deux trous noirs, événement à l’origine de l’émission d’ondes gravitationnelles.

Moins de quatre mois après la première détection directe d’ondes gravitationnelles, une nouvelle fusion de trous noirs a été observée par la collaboration LIGO-Virgo.

Alors que physiciens et astronomes avaient dû attendre près d’un siècle pour annoncer la première observation directe d’ondes gravitationnelles prédites par Einstein, quatre mois de fonctionnement des deux interféromètres d’Advanced LIGO (aLIGO) auront suffi pour repérer deux, voire trois, passages de ces perturbations du tissu de l’espace-temps !

En termes
de fréquence
de détection,
on est dans la
fourchette haute
des prédictions.

Trois événements témoins de fusions de trous noirs, des corps célestes qui eux aussi étaient prédits par la théorie de la relativité générale, mais qui n’avaient jusqu’alors jamais été observés directement.
Même si les chercheurs s’attendaient à observer de tels phénomènes, ils n’espéraient pas le faire aussi rapidement, et encore moins à un tel rythme. « En termes de fréquence de détection, on est dans la fourchette haute des prédictions, se réjouit Benoit Mours, directeur de recherche au Laboratoire d’Annecy-le-Vieux de physique des particules1 et membre de la collaboration LIGO-Virgo, et c’est ce qui rend les choses particulièrement intéressantes. »

Ces résultats, publiés aujourd’hui dans la revue Physical Review Letters par la collaboration internationale LIGO-Virgo, confirment en effet les performances des interféromètres d’Advanced Ligo et leur capacité à « voir » des ondes gravitationnelles, mais ils apportent également les premières indications sur la nature et le nombre de trous noirs dans l’Univers et sur la fréquence de leurs collisions.

Et une ! Et deux ! Et trois coalescences !

L’analyse des signaux captés par LIGO entre le 12 septembre 2015 et le 19 janvier 2016 a ainsi permis de détecter trois événements gravitationnels notables, dont deux ont une significativité statistique supérieure à 5 sigma (équivalent à une fausse alarme tous les 1,7 million d’années), et un troisième une significativité qui n’atteint que 1,9 sigma (qui correspond à une fausse alarme tous les 2,1 ans).

Le tout premier événement significatif, observé le 15 septembre 2015, est celui dont l’annonce a déjà fait sensation en février dernier et qu’on attribue à la collision, à près de 1,5 milliard d’années-lumière de la Terre, de deux trous noirs d’une trentaine de masses solaires chacun. Le second événement par son importance a été détecté le 26 décembre 2015. Il a lui aussi pour origine la collision, à une distance similaire, de deux trous noirs d’une dizaine de masses solaires. Enfin, le troisième événement, observé le 12 octobre 2015 mais dont la significativité n’est pas suffisante pour qu’on puisse le qualifier de découverte, pourrait correspondre à une autre collision de trous noirs situés cette fois à plus de 3 milliards d’années-lumière.

Prochain objectif : les étoiles à neutrons

Une première moisson d’observations particulièrement riche, d’autant que les chercheurs ont pour l’instant limité leur analyse à la recherche de systèmes de trous noirs binaires de moins de 100 masses solaires. « D’autres analyses sont en cours, cette fois spécifiquement calibrées pour détecter des systèmes doubles contenant au moins une étoile à neutrons, précise Benoit Mours. Car, à la différence des événements n’impliquant que des trous noirs, où rien d’autre n’est émis que des ondes gravitationnelles, une coalescence d’étoiles à neutrons s’accompagne d’une émission de matière et de lumière que nos télescopes et radiotélescopes pourront alors observer directement. Ce qui constituera une autre grande première scientifique ! »

Il faut néanmoins savoir que l’incertitude sur la localisation des sources d’ondes gravitationnelles détectées par aLIGO demeure importante : par exemple, pour l’événement du 26 décembre, cette incertitude recouvre une surface céleste équivalente à environ 5 000 pleines lunes.

En attendant Virgo

La prochaine mise en service de la version avancée de l’interféromètre européen Virgo, dont les données seront combinées dès la fin 2016 avec celles d’aLIGO, va permettre d’accroître la résolution de cet observatoire gravitationnel et pas seulement sa résolution spatiale.

Vue aérienne de l'antenne de détection des ondes gravitationnelles Virgo (à Cascina, en Italie).

« Cela nous permettra aussi de mieux mesurer la vitesse de rotation des trous noirs sur eux-mêmes, ce qu’on appelle le spin, explique Benoit Mours. Cela nous donnera plus d’informations sur l’histoire de ces trous noirs ; par exemple pour déterminer s’ils proviennent de système d’étoiles binaires ou bien s’ils proviennent d’astres à l’origine indépendants, mais dont l’un a capturé l’autre. »

Entre ces résultats et le succès de la mission de démonstration LISA Pathfinder – qui rend possible le lancement du projet européen d’interféromètre spatial eLISA –, l’avenir de l’astronomie gravitationnelle s’annonce décidément de plus en plus radieux !

Notes