Une vue de l'intérieur de Virgo, le détecteur européen d'ondes gravitationnelles. © Istituto Nazionale di Fisica Nucleare

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Ondes gravitationnelles : la détection par Virgo et Ligo localise le trou noir binaire

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Retour sur la détection d'une fusion de deux trous noirs annoncée hier soir par les collaborations Ligo (États-Unis) et Virgo (Europe). Pour la première fois, la région de l'espace d'où provenaient les ondes gravitationnelles a pu être cernée.

Ondes gravitationnelles : leur détection expliquée en une minute  Ça y est, des ondes gravitationnelles ont été détectées. Ces fluctuations de l’espace-temps proviennent de la fusion de deux trous noirs d’environ 30 fois la masse de notre Soleil. Découvrez dans cette vidéo comment les scientifiques de Ligo ont pu effectuer ces premières mesures. 

Après la confirmation de la belle découverte du détecteur Virgo, voici la carte montrant la localisation possible de cette fusion entre deux trous noirs formant initialement un système binaire. Contrairement aux observations précédentes, qui n'avaient été réalisées qu'avec le seul couple d'instruments Ligo, aux États-Unis, alors seul opérationnel, celle-ci a été réalisée conjointement avec leur homologue européen. Dans un futur proche, les détections se feront également avec le concours d'autres machines similaires, comme celle construite par les Japonais, le Kamioka Gravitational Wave Detector (Kagra).

Sur cette image de la voûte céleste, avec la Voie lactée, les régions entourées sont celles de plus forte probabilité pour la présence de la source GW170814. La combinaison des observations de Ligo et de Virgo permet de bien mieux localiser la région où s'est produit cet évènement. © Collaboration Virgo, LIGO Scientific Collaboration

Comme nous l'expliquions hier (voir l'article ci-dessous), cette triple détection a permis de réaliser une triangulation pour repérer l'origine de cette bouffée d'ondes gravitationnelles. Ces détecteurs ne sont pas comparable à un télescope fonctionnant dans le visible, bien sûr, et la localisation ne peut donc pas être aussi précise. Mais elle représente déjà un grand progrès car on va pouvoir plus efficacement combiner les observations des détecteurs d'ondes gravitationnelles avec d'autres instruments d'observations, observant eux dans le domaine des ondes électromagnétiques comme le Nuclear Spectroscopic Telescope Array (Nustar), qui observe les rayons X, ou encore Integral dont le regard est dans le domaine des rayons gamma.

Des explications très complètes sur ce que sont les ondes gravitationnelles, comment on les chasse et ce qu'elles peuvent nous révéler sur l'univers sont disponibles dans plusieurs billets que Jean-Pierre Luminet a consacrés à ce sujet sur son blog chez Futura :

Comme pour les détections de fusion de trous noirs précédentes, des simulations numériques permettent de reconstituer ce qui c'est produit et de représenter ces événements avec des images de synthèse.

Cette animation montre la coalescence de deux trous noirs en orbite détectés par Ligo et Virgo le 14 août 2017. La force de l'onde gravitationnelle est indiquée par la hauteur de la crête de l'onde ainsi que par des couleurs. Le vert foncé indique des champs faibles et le violet des champs forts. L'amplitude de l'onde gravitationnelle est rééchelonnée dans le temps, ce qui permet de montrer le signal durant toute la coalescence et pas seulement à proximité de la fusion, où elle est la plus forte. De plus, la taille des trous noirs est augmentée d'un facteur deux pour améliorer la visibilité. © Simulation numérique : S. Ossokine, A. Buonanno (Max Planck Institute for Gravitational Physics), Simulating eXtreme Spacetimes project ; Visualisation scientifique : T. Dietrich (Max Planck Institute for Gravitational Physics), R. Haas (NCSA)

Pour en savoir plus

Ondes gravitationnelles : Virgo, le détecteur européen, a vu son premier trou noir binaire

Article de Laurent Sacco paru le 27 septembre 2017

Les scientifiques des collaborations Ligo et Virgo mettent fin aux rumeurs qui couraient depuis quelque temps : ils ont bien détecté, en tandem, une onde gravitationnelle produite par la fusion de deux trous noirs stellaires. Aucune contrepartie n'a été vue dans le spectre électromagnétique mais la découverte est remarquable et confirme que l'avenir de l'astronomie gravitationnelle sera brillant.

En septembre 2015, la surprise était grande devant la découverte de la fusion de deux trous noirs, d'environ 30 fois la masse du Soleil, grâce à la détection directe du passage d'une onde gravitationnelle (Gravitational Wave en anglais) par les membres de la collaboration Ligo, aux États-Unis, à l'aide de deux détecteurs. Le signal avait à l'époque été analysé avec l'aide des membres de la collaboration Virgo, chargée du détecteur européen équivalent. Hélas, celui-ci n'était pas opérationnel à ce moment ni pour les deux autres détections faites par la suite.

Toutefois, en août 2017 et pendant presque trois semaines, les chasseurs d'ondes gravitationnelles européens de Virgo sont finalement entrés dans la danse avec leurs collègues états-uniens et ils annoncent conjointement aujourd'hui une quatrième observation de fusion de trous noirs stellaires le 14 du même mois, à 10 h 30 TU. L'évènement a donc été baptisé GW170814, comme on peut le constater dans l'article publié à son sujet dans Phys. Rev. Lett.

Une vidéo de présentation de Virgo et de la chasse aux ondes gravitationnelles. © CNRS

Il s'agit cette fois de deux astres compacts qui contenaient respectivement 25 et 31 masses solaires, situés à environ 1,8 milliard d'années-lumière de la Voie lactée. La fusion a produit un nouveau trou noir de 53 masses solaires mais l'équivalent en masse de trois Soleils a été simultanément converti en rayonnement gravitationnel.

Ligo et Virgo constituant trois machines, on peut les utiliser pour une triangulation et ainsi restreindre la région de la voûte céleste d'où est arrivée l'onde gravitationnelle. Cela permet également de mieux connaître la distance de la source émettrice. Elle devait se trouver dans une portion dont la surface est d'environ 320 fois la taille de la pleine Lune dans notre ciel. Une telle dimension a permis à 25 groupes d'astronomes de chercher une contrepartie dans le spectre des ondes électromagnétiques, ce qui aurait été fort intéressant, dans le visible et dans le domaine des rayons X et gamma par exemple. Mais comme pour les trois détections précédentes, rien n'a été observé. On a même cherché un signal dans le domaine des astroparticules avec des neutrinos mais là non plus, sans succès.

Il se confirme donc que des ondes gravitationnelles détectables frappent régulièrement la Terre. Elles pourraient être très bavardes dans le domaine de l'astrophysique relativiste et même pour celui d'une nouvelle physique décrite par des alternatives à la théorie de la relativité générale.


Ondes gravitationnelles : Virgo, le détecteur européen, à nouveau en chasse

Article de Laurent Sacco publié le 13/08/2017

Une version améliorée du détecteur européen Virgo est partie à la chasse aux ondes gravitationnelles. La machine fait équipe avec Ligo, aux États-Unis. À la clé, peut-être, des vérifications spectaculaires en astrophysique et bien d'autres surprises.

Il y a dix ans, l'interféromètre Virgo, construit près de Pise, en Italie, par les Européens (c'est le cousin du détecteur d'ondes gravitationnelles Ligo situé aux États-Unis) débutait enfin sa prise de données. Les recherches se sont poursuivies pendant presque une décennie, en Europe et outre-Atlantique, sans autre résultat que de poser des bornes sur les caractéristiques des sources d'ondes gravitationnelles possibles observables dans la bande de fréquences des deux détecteurs. Les hypothèses de détection les plus optimistes n'étant pas confirmées par la nature, des pauses plus ou moins longues ont été imposées aux deux machines afin de faire le nécessaire pour améliorer la sensibilité des deux instruments.

Ligo a redémarré en premier, fin 2015, et les améliorations réalisées ont tout de suite payé : on en est maintenant à la détection d'au moins trois fusions de trous noirs dans trois systèmes binaires ! Les informations déjà obtenues sont spectaculaires mais les chercheurs s'attendent à faire bien mieux dans les années qui viennent, car la technologie laisse augurer de nouvelles montées en sensibilité de la machine. Surtout, les astronomes relativistes attendaient avec impatience le redémarrage de Virgo, également dans sa version améliorée.

Vers une localisation précise des sources d'ondes gravitationnelles

En effet, Ligo n'est constitué que de deux interféromètres, ce qui ne permet pas vraiment de repérer sur la voûte céleste une région précise d'où provient une onde gravitationnelle détectée. En revanche, avec une troisième machine observant simultanément, il est possible de faire de la triangulation, et donc, éventuellement, d'attribuer une contrepartie électromagnétique au signal que peuvent détecter les trois télescopes à ondes gravitationnelles.

Cela pourrait être, par exemple, une explosion de supernova dans la Voie lactée ou des collisions d'étoiles à neutrons. Dans le cas d'une supernova suffisamment proche, on serait même en mesure de combiner des signaux dans trois fenêtres d'observation complémentaires : les ondes électromagnétiques, les ondes gravitationnelles et un flux de neutrinos. Bien des modèles astrophysiques concernant les explosions d'étoiles et les collisions d'astres compacts pourraient donc obtenir des vérifications spectaculaires ou, qui sait, peut-être révéler des indices concernant une nouvelle physique.

Or, justement, les membres de la collaboration Virgo ont fait savoir sur leur site que le détecteur européen avait rejoint les deux détecteurs états-uniens de la collaboration Ligo pour une campagne d'observation commune baptisée « Run d'Observation 2 » (O2). Celle-ci a commencé le mardi 1er août 2017 après plusieurs années consacrées aux améliorations de Virgo depuis son arrêt en 2011 (suivies des quelques mois nécessaires pour qu'ingénieurs et physiciens fassent les derniers réglages de la machine et vérifient que tout fonctionnait bien comme prévu).

La prise de données O2 a démarré le 30 novembre 2016 avec Ligo; elle se terminera le 25 août 2017. Les membres de la collaboration Virgo avaient cependant déjà travaillé depuis 2015 avec leurs collègues de Ligo pour analyser les signaux captés par le détecteur états-unien. Virgo et Ligo subiront de nouvelles améliorations et il est prévu de commencer un Run 3 en automne 2018.


Virgo enfin à l'affût des ondes gravitationnelles !

Article de Laurent Sacco publié le 27/05/2007

C'est une bonne nouvelle pour toute la communauté des chercheurs en astrophysique relativiste. Le 18 mai 2007, le détecteur d'ondes gravitationnelles Virgo a débuté sa phase d'exploitation scientifique, après plusieurs années de tests et de réglages fins. On attend de lui qu'il vérifie toutes les prédictions détaillées concernant, entre autres, les collisions d'étoiles à neutrons et de trous noirs dans des systèmes binaires.

Chaque fois qu'une bande de longueurs d'onde nouvelle s'est ouverte pour l'astronomie, des découvertes fondamentales sur le cosmos ont été faites. Il suffit de penser aux progrès effectués grâce à la radioastronomie et grâce à l'astronomie en rayons X pour s'en convaincre. Or, les ondes gravitationnelles sont constituées du type de rayonnement le plus pénétrant de l'Univers, des déformations de la structure de l'espace et du temps. Il devrait donc nous donner accès à des phénomènes difficilement observables, comme l'intérieur des étoiles à neutrons et les oscillations de l'horizon d'un trou noir lorsque celui-ci engloutit une naine blanche ou un autre trou noir.

Les déformations du tissu de l'espace-temps provoquées par la présence des masses sont représentées sur cette image d'artiste. © Fotolia, the_lightwriter

Ces ondes ont été prédites par Einstein dès 1917 et, si l'on compare l'espace-temps à un fluide, des mouvements violents de la matière, comme l'explosion asymétrique d'une supernova ou des collisions d'astres compacts, devraient être suffisants pour l'agiter. Car, si les ondes gravitationnelles ne peuvent pas être stoppées, elles n'en sont pas moins très difficiles à produire avec une intensité détectable si on la compare aux ondes électromagnétiques. Pour s'en convaincre, il suffit de se rappeler que la force d'un aimant est suffisante pour contrecarrer l'attraction gravitationnelle de toute la Terre sur un clou en métal !

Leur existence n'est plus mise en doute depuis la découverte, par Hulse et Taylor, d'un pulsar binaire dont la période de rotation ne cessait de diminuer du fait de la perte radiative d'énergie sous forme de rayonnement gravitationnel. Ils ont d'ailleurs eu le prix Nobel de physique en 1993 pour leur découverte.

Toutefois, rien ne vaut une détection directe et, comme l'astronomie gravitationnelle est riche en promesses, il a donc été décidé de construire une série de détecteurs terrestres. C'est pourquoi la France et l'Italie, avec le CNRS et l'INFN (Institut national de physique nucléaire italien), ont joint leurs moyens en 1993 pour construire, près de Pise, un énorme interféromètre de Michelson constitué de deux bras orthogonaux de 3 km de longueur chacun. Des tubes sous vide ont donc été enterrés et, à l'intérieur, circulent des faisceaux lasers intenses et très stables qui par de multiples réflexions parcourent un total de 120 km.

Schéma de l'interféromètre de Virgo. © in2p3

Sous l'action d'ondes gravitationnelles, les distances dans l'espace sont modifiées et cela se traduira donc par l'apparition d'une figure d'interférence avec cet instrument. Le résultat est, évidemment, très difficile à obtenir, car il faut isoler autant que possible le dispositif du bruit sismique quelle qu'en soit l'origine, comme par exemple une simple voiture roulant à côté du détecteur ! Les ingénieurs et les physiciens l'ont pourtant fait et l'environnement de l'interféromètre Virgo est devenu plus calme que celui d'un vaisseau spatial en orbite autour de la Terre. On comprendra aisément pourquoi ce fut nécessaire en calculant la différence de distance qu'il faut mesurer. Elle est de l'ordre d'un milliardième du diamètre d'un atome (10-18 mètres).

Des dispositifs analogues sont opérationnels aux États-Unis avec Ligo (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory) et, en Allemagne, avec GEO. C'est important si l'on veut soustraire du signal enregistré des perturbations locales, ou si l'un des détecteurs tombait malencontreusement en panne. Même si Virgo fonctionne nuit et jour, dans l'état actuel de sa sensibilité, il ne peut détecter qu'un événement par an dans un volume qui s'étend jusqu'à l'amas de galaxies de la Vierge, d'où d'ailleurs son nom de Virgo. C'est en effet le taux calculé d'après les estimations des collisions d'astres compacts produisant des OGs à une intensité et une fréquence détectables par Virgo. Ce nombre pourra être multiplié par plusieurs centaines, à l'horizon 2011, en améliorant le dispositif. Traduites dans la bande sonore, les ondes gravitationnelles produites par un trou noir stellaire, spiralant en direction d'un trou noir massif en rotation, donneraient à peu près ceci.

Si les modèles se confirment, il y a gros à parier que des gens comme Kip Thorne, Stephen Hawking et Roger Penrose décrocheront automatiquement le prix Nobel. De plus, quels phénomènes physiques totalement inattendus ne manqueront pas de détecter ces instruments ? L'avenir nous le dira bientôt !

  • Upgradé, le détecteur européen d'ondes gravitationnelles Virgo est récemment devenu dix fois meilleur et devait permettre de sonder un volume d'espace mille fois plus grand qu'en 2011 (date à laquelle Virgo s'était arrêté pour apporter ces améliorations).
  • Pendant trois semaines environ depuis le début du mois d'août, Virgo a effectué une nouvelle campagne d’observation baptisée « Run d’Observation 2 » (O2), en tandem avec Ligo, son cousin situé aux États-Unis constitué de deux détecteurs identiques.
  • Les trois machines ont détecté pendant cette période une fusion de deux trous noirs dont les masses sont respectivement de 25 et 31 fois celle du Soleil. En bonus, elles ont permis de mieux localiser cette fusion qui a donné un trou noir de 53 masses solaires à 1,8 milliard d'années-lumière de la Voie lactée.