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Une onde gravitationnelle de trous noirs frapperait tous les quarts d'heure

D'après les premières estimations de la première campagne d'observation de Ligo, il se pourrait qu'une onde gravitationnelle provenant de la fusion de trous noirs frappe la Terre à peu près toutes les quinze minutes. Voilà de quoi espérer de nombreuses observations et, à la clé, une meilleure compréhension des trous noirs et de leur naissance.

Ligo (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory) a permis de détecter l'onde gravitationnelle produite par la collision puis la fusion de deux trous noirs d'environ 30 masses solaires chacun. Mais à quoi aurait ressemblé visuellement l'évènement pour des observateur installés à quelques milliers de kilomètres ? Des simulations numériques permettent de le découvrir. Cette image, qui illustre des effets de lentille gravitationnelle, est extraite de l'une d'elles. © SXS (Simulating eXtreme Spacetimes project) Ligo (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory) a permis de détecter l'onde gravitationnelle produite par la collision puis la fusion de deux trous noirs d'environ 30 masses solaires chacun. Mais à quoi aurait ressemblé visuellement l'évènement pour des observateur installés à quelques milliers de kilomètres ? Des simulations numériques permettent de le découvrir. Cette image, qui illustre des effets de lentille gravitationnelle, est extraite de l'une d'elles. © SXS (Simulating eXtreme Spacetimes project)

Une onde gravitationnelle de trous noirs frapperait tous les quarts d'heure - 3 Photos
trou noir fusion SXS  Simulating e Xtreme Spacetimes  project

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Si les ondes gravitationnelles étaient des ondes électromagnétiques, la source de celle qui a frappé la Terre le 14 septembre 2015 aurait paru dans notre ciel plus lumineuse que la pleine Lune selon les membres de la collaboration Ligo. Affirmation ahurissante : la source était distante de 1,3 milliard d’années-lumière environ. C'est pourtant ce qu'affirme un communiqué récent résumant les conclusions scientifiques de l’analyse du signal désormais célèbre sous le nom de GW150914, GW étant l’acronyme de gravitational wave, onde gravitationnelle en anglais, et 150914 indiquant la date de l'onservation, le 14 septembre 2015.

Elle fait écho à une autre déclaration de Kip Thorne, un des co-fondateurs du projet Ligo et grand spécialiste des ondes gravitationnelles et des trous noirs. Célèbre pour son rôle de conseiller scientifique du film Interstellar et pour ses théories sur les trous de ver et les voyages dans le temps, l’astrophysicien avait en effet déclaré que GW150914 correspondait à une collision suivie d’une fusion de deux trous noirs stellaires ayant dégagé en moins d’une seconde 50 fois plus d’énergie que toutes les étoiles de l’univers observable.


Dans cette vidéo, plusieurs des membres importants de la collaboration Ligo, qui regroupe des chercheurs du Caltech et du MIT, nous parlent de la découverte des ondes gravitationnelles. On peut voir notamment Kip Thorne, le théoricien, et Rainer Weiss, l'expérimentateur, à l'origine de Ligo. Pour obtenir une traduction en français assez fidèle, cliquez sur le rectangle avec deux barres horizontales en bas à droite. Les sous-titres en anglais devraient alors apparaître, si ce n'est pas déjà le cas. En cliquant ensuite sur l'écrou à droite du rectangle, vous devriez voir l'expression « Traduire les sous-titres ». Cliquez pour faire apparaître le menu du choix de la langue, choisissez « français », puis cliquez sur « OK ». © caltech, YouTube

Combien de collisions de trous noirs dans l'univers ?

Comme nous l’avait expliqué dans la première partie de son interview le physicien Pierre Binétruy, très impliqué dans eLisa, un autre projet de détection directe des ondes gravitationnelles depuis l’espace, il doit exister de nombreux systèmes binaires de trous noirs stellaires. Mais il existait une incertitude assez grande sur le nombre de collisions accompagnées d'une fusion se produisant chaque année dans un volume donné de l’univers.

Tout comme le rappelle le communiqué de la collaboration Ligo, le chercheur nous avait également expliqué que la détermination des masses des deux trous noirs stellaires à partir du signal GW150914 avait surpris. Les valeurs trouvées, 36 (+5/−4) et 29 (+4/−4) masses solaires, étaient en effet particulièrement élevées, contrairement à ce que l’on attendait.


Cette vidéo montre une simulation numérique réaliste de haut niveau de ce qui s'est passé en moins d'une minute dans le système binaire de trous noirs stellaires à l'origine du signal GW150914. Pendant quelques dizaines de secondes, les orbites des trous noirs sont encore quasi-circulaires et le signal, que l'on peut voir en bas de l'image, est une sinusoïde régulière. La période des orbites décroît du fait de la perte d'énergie sous forme d'ondes gravitationnelles et l'amplitude des ondes croît. La courbure de l'espace est représentée par celle d'une surface en deux dimensions et le ralentissement du temps est d'autant plus important que les couleurs virent au rouge. En moins d'une seconde, alors que les deux trous noirs se déplacent à la moitié de la vitesse de la lumière, ils plongent l'un vers l'autre car il n'existe plus d'orbite stable. Ils entrent en collision et un horizon perturbé entoure les deux premiers. L'intensité du signal croît puis diminue exponentiellement car l'horizon vibre en émettant des ondes pour devenir parfaitement sphérique. C'est la phase de ringdown avec des modes quasi-normaux, comme le ferait une cloche frappée. © Caltech Ligo, YouTube

Toutes les quinze minutes, deux trous noirs stellaires fusionnent quelque part

Or, le taux de collisions de trous noirs stellaires, ainsi que leurs masses, conditionnent le nombre d’évènements que l’on peut espérer surprendre avec instruments comme Advanced Ligo (aLigo) et Advanced Virgo (aVirgo), son cousin européen qui devrait démarrer cette année. Les membres de la collaboration Ligo, qui ont analysé le signal GW150914 avec l’aide de leurs collègues européens de Virgo, annoncent également maintenant qu’ils sont arrivés à une estimation plus précise du nombre de flashs d’ondes gravitationnelles produits par des collisions de trous noirs atteignant la Terre chaque année, ainsi que le nombre de ceux suffisamment intenses pour être détectés avec aLigo et aVirgo. Ils se basent aussi sur les semaines d’observation avec aLigo.

Les chiffres avancés sont stupéfiants. La Terre serait frappée en moyenne tous les quarts d’heure par une onde gravitationnelle produite depuis plus de 13 milliards d’années par les collisions de trous noirs quelque part dans l’univers observable. Lorsque eLigo démarrera à nouveau cette année pour une deuxième campagne d’observation, il est presque certain qu’au moins un second évènement sera découvert et l'instrument en détectera entre 3 et 90. Ces estimations sont très encourageantes, d’autant plus qu’un deuxième signal prometteur LVT151012 (pour Ligo-Virgo Trigger) pointe déjà son nez dans les données collectées le 12 octobre 2015.


Une partie du signal détecté par les deux interféromètres Ligo, l'un à Hanford, l'autre à Livingston, est dans le domaine des fréquences audibles. On peut donc le transcrire en son, pour obtenir un « shirp ». Cette vidéo nous le fait écouter une première fois puis une seconde fois sur un ton un peu plus aigu. © Caltech Ligo, YouTube

Une remise en cause de nos idées sur les trous noirs

Que va-t-on déduire des signaux à venir ? Leur forme dépend des masses et des moments cinétiques de chacun des trous noirs. Des combinaisons de calculs analytiques et numériques permettent de générer des millions de signaux différents obtenus avec des masses et des moments cinétiques variés, puis de chercher celle qui s’ajuste le mieux aux données. C’est ce que l’on a fait pour GW150914.

Les observations précédentes de trous noirs stellaires en rayons X – 22 avérés sont connus, dont trois dans la Voie lactée – indiquaient des masses comprises entre 5 et 10 masses solaires avec quelques cas atteignant les 20 masses solaires. La découverte de GW150914 confirme déjà l’existence des trous noirs et des systèmes binaires qu'ils peuvent former. Mais elle remet aussi en cause les mécanismes invoqués pour la formation de ces astres compacts par effondrement gravitationnel.

On peut voir sur ces schémas le remarquable accord tant entre les signaux prédits sur ordinateurs et ceux observés par Ligo à Handford et Livingston. Ils sont superposés sur le schéma en bas car ils ont été détectés à 0,007 seconde d'intervalle.
On peut voir sur ces schémas le remarquable accord tant entre les signaux prédits par les simulations et ceux observés par Ligo à Handford et Livingston. Ils sont superposés sur le schéma en bas car ils ont été détectés à 0,007 seconde d'intervalle. © Ligo

Ligo et Virgo vont nous en apprendre beaucoup sur les trous noirs

Lorsqu’une étoile explose en supernovae de type SN II, il faut qu’elle soit suffisamment massive pour que se forme un trou noir, et une grande partie de la matière qu’elle contenait est éjectée au loin. Le trou noir résultant a donc une masse plus faible que son étoile génitrice. Mais pour obtenir des masses de l’ordre de 30 masses solaires, il faut des paramètres particuliers comme la vitesse de rotation initiale de l’étoile et surtout son contenu en éléments plus lourds que l’hélium, ce que l’on appelle la métallicité de l’étoile.

Bien des incertitudes existent sur l’influence de ces paramètres mais une métallicité deux voire quatre fois inférieure à celle de notre Soleil semble nécessaire. Il va falloir sans doute regarder les modèles de formation des trous noirs d’un peu plus près à mesure que s'accumuleront les observations de trous noirs binaires par aLigo et aVirgo.

Les ovales en bas de cette image de la Voie lactée indiquent la région du ciel d'où provenait le signal GW150914. L'ovale recouvre la région où se trouve dans l'hémisphère sud le Grand Nuage de Magellan et juste en dessous le Petit Nuage de Magellan. Mais il vient de bien plus loin car ses nuages sont à moins d'un millions d'années-lumière de la Voie lactée alors que GW150914 provient d'une région située à 1,3 milliards d'années-lumière.
L'origine du signal GW150914 dans le ciel de l'hémisphère sud. La Voie lactée est bien visible. La région est celle du Grand Nuage de Magellan et, juste en dessous, du Petit Nuage de Magellan. Ces ondes venaient en fait de bien plus loin. Ces nuages sont à moins d'un million d'années-lumière de la Voie lactée alors que GW150914 provient d'une région située à 1,3 milliard d'années-lumière. © Ligo

Ces ondes sont-elles associées à des sursauts gamma ou à de neutrinos ?

L’existence même de trous noirs binaires demande à être expliquée et pour cela il faut mesurer les moments cinétiques des trous noirs. Ces astres se comportent à cause d’eux comme des toupies. Puisqu'ils sont en orbite l’un autour de l’autre, le système entier possède aussi un moment cinétique appelé moment orbital. Si l’on représente ces moments comme des flèches, elles sont presque alignées ou pas selon que les deux trous noirs se sont formés à partir d’une étoile double ou au contraire par capture dans un environnement stellaire dense. Dans le cas de GW150914, il semble que la première hypothèse soit la plus probable.

On espère aussi à l’avenir repérer des contreparties, optiques ou autres, aux collisions de trous noirs repérées par aLigo et aVirgo qui, en fonctionnant ensemble, permettront de localiser ces évènements assez précisément. De la matière entourant les sources d’ondes gravitationnelles pourrait faire temporairement obstacle à des phénomènes électromagnétiques énergétiques engendrés conjointement mais qui nous parviendraient après les ondes gravitationnelles que rien n’arrête ou presque.

Le télescope spatial Fermi a déjà surpris un signal dans le domaine gamma qui pourrait accompagner celui de GW150914. En revanche, les télescopes à neutrinos Antares et Icecube n’ont rien vu. La quête continue.

À découvrir en vidéo autour de ce sujet :


Les ondes gravitationnelles sont des déformations de l’espace-temps prédites par Einstein. Il serait possible de les mesurer avec des outils appropriés. L’éditeur littéraire Dunod a interviewé Pierre Binétruy, professeur au laboratoire Astroparticule et Cosmologie de l'université Paris Diderot, afin d’en savoir plus sur ces mystérieuses ondes et sur la façon dont on pourrait les détecter.


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