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Ligo et Virgo devraient d'abord voir des trous noirs binaires

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La chasse aux ondes gravitationnelles débutée il y a quelques années avec les détecteurs Virgo et Ligo est pour le moment infructueuse. Pour un groupe d'astrophysiciens, les sources les plus faciles à détecter ne seraient pas les couples d'étoiles à neutrons mais les trous noirs binaires.

Une représentation d'artiste des ondes gravitationnelles se propageant dans le tissu de l'espace-temps et rayonnées par un couple de trous noirs spiralant l'un vers l'autre en perdant de l'énergie suite à l'émission de ces ondes. Crédit : K. Thorne (Caltech)-T. Carnahan (Nasa GSFC)

C'est en 1917 qu'Albert Einstein a démontré pour la première fois que, tout comme des particules chargées accélérées doivent rayonner des ondes électromagnétiques, une masse en mouvement non-uniforme doit elle aussi générer un rayonnement, mais de type gravitationnel.

Avec les développements rapides de l'astrophysique relativiste au cours des années 1960, des chercheurs comme Kip Thorne se sont rendu compte qu'une toute nouvelle astronomie doit pouvoir nous renseigner sur les entrailles des astres compacts que sont les étoiles à neutrons ainsi que sur les propriétés des trous noirs, comme les modes quasinormaux de leur horizon.

La fenêtre d'observation que constitue l'astronomie des ondes gravitationnelles est cependant difficile à ouvrir car la puissance des ondes générées est très faible. Il n'y a qu'à l'occasion de collisions d'étoiles à neutrons ou de trous noirs que l'énergie libérée en peu de temps est suffisamment forte pour faire vibrer significativement le tissu de l'espace-temps jusqu'à des dizaines de millions d'années-lumière de distance.

Sur Terre, ces vibrations se manifesteraient par des modifications de la longueur de la trajectoire de deux faisceaux laser dans des tubes à vide constituant un gigantesque interféromètre. Deux dispositifs de ce genre ont été construits, Ligo et Virgo, opérationnels depuis, respectivement, 2002 et 2007.


Une vidéo en anglais sur le Laser Interferometer Gravitational Wave Observatory, Ligo, montrant le principe de la détection des ondes gravitationnelles. Crédit : LIGO-National Science Foundation

Davantage de trous noirs qu'on ne l'imaginait

Malheureusement, les prévisions les plus optimistes n'ont pas été vérifiées. Il n'y a pas suffisamment de collisions d'astres compacts dans le voisinage de la Voie lactée pour que l'on détecte le passage d'une onde gravitationnelle sur Terre durant une période de quelques années.

Toutefois, on savait qu'avec une sensibilité accrue, les ondes gravitationnelles émises par des systèmes binaires d'étoiles à neutrons, bien que plus faibles et dans une bande de fréquences différente, doivent, elles, être observables avec Ligo et Virgo.

Les chercheurs sont en train, lentement mais sûrement, d'améliorer la sensibilité de leurs instruments. Mais si l'on en croit Chris Belczynski, du Los Alamos National Laboratory, et ses collègues astrophysiciens, qui viennent de publier un article sur arXiv, ce ne sont pas les systèmes binaires d'étoiles à neutrons que l'on devrait bientôt détecter mais bien les trous noirs binaires.

Il faut savoir en effet que pour qu'une étoile à neutrons ou un trou noir apparaissent à l'occasion de l'apparition d'une supernovae. La masse de l'étoile initiale doit dépasser les 8 masses solaires pour qu'une étoile à neutrons ait une chance de se former. Pour un trou noir, la limite est de plusieurs dizaines de masses solaires. Ces étoiles massives brûlent leur carburant nucléaire bien plus vite que le Soleil.

Or, lors des dernières étapes de la vie de ce type d'étoiles, la perte de masse qui contrôle la probabilité de l'apparition d'une étoile à neutrons ou d'un trou noir est très sensible à la métallicité de l'étoile, c'est-à-dire la quantité d'éléments plus lourds que l'hélium qu'elle contient. Pour une étoile massive, plus la métallicité est faible plus la probabilité de devenir un trou noir augmente car moins la perte de masse en fin de vie est importante.

Si l'on en croit les données du Sloan Digital Sky Survey portant sur environ 300.000 étoiles, celles qui se sont formées depuis moins d'un milliard d'années seraient en fait composées d'un nombre d'étoiles de faible métallicité bien plus important que ce que l'on croyait savoir. Il en résulte que le taux de formation de systèmes binaires contenant au moins un trou noir est plus élevé. La probabilité d'observer les ondes gravitationnelles émises par un système de trous noirs binaires est donc plus élevée que pour un couple d'étoiles à neutrons.

D'après les chercheurs, d'ici 2015, date à laquelle Virgo et Ligo auront été portés au maximum de sensibilité prévue, nous devrions enfin détecter ces ondes gravitationnelles et ce serait celles émises par un trou noir binaire. Avec de la chance, le premier « upgrade » de Virgo en automne 2010 pourrait déjà conduire à une surprise rapidement.