Inspiral, merger, ringdown : ce sont les noms anglais des trois étapes qui ont conduit deux trous noirs à se rapprocher en décrivant une spirale, suite à des pertes d'énergies sous forme d'ondes gravitationnelles, puis à entrer en collision pour finalement donner un seul trou noir. L'horizon des évènements de l'objet compact final a vibré, telle une cloche frappée, en émettant des ondes gravitationnelles. Les courbes montrent les signaux détectés par les deux interféromètres Ligo, à Handford et à Livingston, aux États-Unis, le 14 septembre 2015. Le 26 décembre 2015, un signal très similaire produit par un même scénario astrophysique a été détecté par Ligo. © Ligo, NSF, Aurore Simonnet

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Ondes gravitationnelles : deuxième détection d'une fusion de trous noirs !

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Un second signal détecté par les interféromètres Ligo en décembre 2015 est interprété par l'équipe, en collaboration avec celle de Virgo, l'homologue européen, comme le résultat de la fusion de deux trous noirs. C'est donc la deuxième détection de ce genre après le coup de tonnerre de février dernier, qui reposait sur une observation de septembre 2015.

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. 

Le 11 février 2016, les membres de la collaboration Ligo aux États-Unis annonçaient, conjointement avec les membres de la collaboration Virgo en Europe, que le détecteur d'ondes gravitationnelles eLigo avait permis la première détection directe sur Terre des ondulations se propageant dans la courbure de l'espace-temps. Elles avaient été prédites presque 100 ans auparavant par Albert Einstein. Leur existence ne faisait plus de doute depuis des décennies grâce à la découverte de certaines étoiles à neutrons. En effet, les calculs menés notamment par le physiciens français Thibault Damour (à qui on doit une BD sur le Mystère du Monde quantique) et ses collègues, dans les années 1980, avaient permis de rendre compte de la diminution annuelle de la période de l'orbite d'un pulsar binaire (PSR B1913+16 ) révélée et mesurée par les prix Nobel de physique Hulse et Taylor. Les deux astres perdaient de l'énergie en émettant des ondes gravitationnelles, ce qui faisait diminuer lentement mais de plus en plus rapidement la taille et donc la période de leur orbite. Il ne s'agissait que d'une signature indirecte, mais convaincante, de l'existence de ces ondes (voir les réflexions sur son blog de Futura-Sciences d'Aurélien Barrau).

La détection du signal baptisé GW150914 s'était produite de façon totalement inattendue le 14 septembre 2015. Son analyse a montré qu'il provenait des derniers évènements survenant quand deux trous noirs de masse stellaire formant un coupe binaire se rapprochent en suivant une spirale puis fusionnent en un seul astre compact. Une partie de la masse totale des deux objets, qui contenaient chacune environ 30 fois la masse du Soleil, a été convertie en ondes gravitationnelles. Pour se donner une idée de l'énergie qu'un tel évènement représente, on peut imaginer que si ces ondes gravitationnelles avaient été des ondes électromagnétiques, alors la source de la collision observée en septembre 2015 aurait parue dans notre ciel plus lumineuse que la pleine Lune. Pourtant, l'évènement s'est produit à environ 1,3 milliard d'années-lumière de la Voie lactée...

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 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. © Dunod

Deux trous noirs stellaires de 8 et 14 masses solaires

Les chercheurs n'espéraient de la nouvelle version plus sensible du détecteur Ligo qu'elle permette d'observer aussi rapidement une telle fusion, et surtout pas celle de trous noirs aussi massifs. Cette belle surprise laissait augurer bien d'autres détections. De fait, les membres des collaborations Ligo et Virgo qui avaient déjà joint leurs efforts pour analyser le signal de GW150914 viennent d'annoncer que le 26 décembre 2015, une autre onde gravitationnelle produite par la fusion de deux trous noirs avaient été mise en évidence.

Logiquement appelée GW151226 (GW pour Gravitational Wave et 151226 pour la date de détection), la source de ce signal se situe à 1,4 milliard d'années-lumière de la Terre. Il est plus faible que celui de GW150914 car il provient d'un système binaire dont les deux trous noirs pesaient 8 et 14 masses solaires. Ces masses sont plus conformes aux attentes des astrophysiciens qui étudient théoriquement et observationnellement les trous noirs provenant de l'effondrement des étoiles.

La détection des ondes gravitationnelles, la première ayant été annoncée le 11 février, est le fruit d'une véritable prouesse technologique. Les détecteurs Ligo et Virgo doivent pouvoir repérer des mouvements infinitésimaux, de l'ordre du milliardième de la taille d'un atome ! © CNRS

De nouveaux tests pour la physique et une nouvelle fenêtre sur le cosmos

Une nouvelle astronomie gravitationnelle est donc bel et bien en train de naître grâce aux travaux des pionniers que sont Ronald Drever, Kip Thorne et Rainer Weiss, lesquels viennent d'ailleurs de se voir attribuer un million de dollars (876.000 euros) par la Fondation du Prix de physique fondamentale qui signale et récompense également les travaux théoriques de deux chercheurs français, Luc Blanchet et Thibault Damour. Il semble difficile d'imaginer que certains de ces noms ne sont pas sérieusement considérés pour un Nobel de physique avant 2020.

Que pourrait nous apprendre cette nouvelle astronomie ? Déjà de nouvelles choses sur la physique de la gravitation et de possibles extensions de la théorie d’Einstein. Dans le cas de GW151226, les trous noirs étant plus légers, leur rapprochement a été moins rapide, de sorte que le signal a duré plusieurs secondes, contre moins de 0,5 seconde pour le précédent, ce qui veut dire que le nombre d'orbites observées a été plus grand. De ce fait, les contraintes posées sur de la nouvelle physique sont plus fortes. On pourrait bien découvrir aussi que la matière noire se présente souvent sous forme de trous noirs binaires, et bien d'autres choses encore, comme nous l'avait expliqué dans une interview Pierre Binétruy.

Avec le prix Nobel de physique George Smoot, le chercheur vous invite à participer à un Hangout du Mooc Gravity! dont le thème portera sur les trous noirs et les ondes gravitationnelles. Il sera retransmis en anglais ce jeudi 16 juin à 21 h 00 (heure de France métropolitaine). Même si vous n'êtes pas inscrits à cette session du cours en anglais Gravity! vous pouvez dès à présent poser vos questions sur le site du cours et sur Twitter en utilisant le hashtag #FLGravity.

Un bilan des observations de GW150914 et GW151226 est disponible sur arXiv.