Une image extraite de la simulation numérique d'une fusion binaire de trous noirs à l'origine de la source d'ondes gravitationnelle GW190412 avec des masses asymétriques et une précession orbitale. © N. Fischer, H. Pfeiffer, A. Buonanno (Max Planck Institute for Gravitational Physics), Simulating eXtreme Spacetimes (SXS) Collaboration
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Ondes gravitationnelles : la fusion de deux trous noirs très différents détectée pour la première fois

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[EN VIDÉO] 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. 

Ligo et Virgo continuent de détecter les ondes gravitationnelles produites par des collisions de trous noirs stellaires. Pour la première fois, la fusion observée s'est produite avec des trous noirs de masses vraiment différentes. De quoi tester de nouveaux aspects de la physique et de l'astrophysique de ces objets.

Cela fait maintenant plusieurs années que nous sommes entrés dans l'ère de l'astronomie gravitationnelle grâce aux travaux pionniers de Kip Thorne et Rainer Weiss d'un côté de l'Atlantique, et d'Alain Brillet et Thibault Damour de l'autre côté, sans oublier tous les autres membres des collaborations Ligo et Virgo qui ont permis la détection et l'analyse des ondes gravitationnelles ainsi que, bien évidemment, tant d'autres noms associés depuis des décennies à leur quête (Ron Drever, Vladimir Braginsky etc...). Rappelons que ces ondes, prédites par la théorie relativiste de la gravitation d'Einstein, sont des ondes dans la structure de l'espace-temps qu'elles déforment un peu à la façon dont le ferait une onde sonore dans un solide.

La première source détectée était, rappelons-le également, GW150914, et il s'agissait de la fusion de deux trous noirs de masse stellaire. 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, imaginons que, si ces ondes gravitationnelles avaient été des ondes électromagnétiques, alors la source de la collision observée en septembre 2015 aurait paru 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.

Des collisions d’étoiles à neutrons ont aussi été découvertes via leurs émissions d'ondes gravitationnelles mais aussi électromagnétiques, ce qui donne un nouvel essor à ce que l'on appelle l'astronomie multimessager qui peut combiner les signaux de ces ondes avec également des flux de neutrinos.

En ce qui concerne les fusions de trous noirs, Ligo et Virgo n'avaient détecté jusqu'à présent que des collisions avec des astres compacts de masses comparables, comme dans le cas de GW150914. Mais, aujourd'hui, alors que la troisième campagne d'observations avec ces détecteurs d'ondes gravitationnelles -- le run O3, comme disent les chercheurs -- avait débuté le 1er avril 2019, les astronomes viennent de révéler avec un article sur arXiv qu'un signal bien particulier avait été mesuré par Ligo et Virgo le 12 avril 2019 à 07 h 30 mn 44 s, heure de Paris. En effet, tout indique que la source nommée GW190412 a mis en jeu la fusion de deux trous noirs dont les masses sont vraiment différentes cette fois-ci : une première !

Simulation numérique d'une fusion binaire de trous noirs à l'origine de la source d'ondes gravitationnelle GW190412 avec des masses asymétriques et une précession orbitale. © N. Fischer, H. Pfeiffer, A. Buonanno (Max Planck Institute for Gravitational Physics), Simulating eXtreme Spacetimes project.

De même que le son produit par un instrument de musique peut donner des informations sur la structure et la composition de l'instrument, les ondes gravitationnelles émises par la collision et la fusion de deux trous noirs sont riches en informations de toutes sortes, en particulier la masse et le moment cinétique associé à la rotation de chaque trou noir mais aussi l'inclinaison relative par rapport à nous du plan orbital initial des deux astres compacts avant fusion et, bien sûr, la distance à laquelle elle s'est produite. On peut également tester la relativité générale à la recherche d'une nouvelle physique qui la prolonge, par exemple celle de la théorie des supercordes.

Une clé pour comprendre la naissance des trous noirs stellaires binaires

On a ainsi découvert que, dans le cas de GW190412, l'un des deux astres devait non seulement être environ 3 à 4 fois plus massif que l'autre mais aussi que les trous noirs qui ont fusionné avaient des masses de l'ordre de 30 et 8 fois la masse du Soleil. L'événement se serait produit à environ 2,3 milliards d'années-lumière de la Voie lactée.

Les astrophysiciens relativistes vont encore plus loin aujourd'hui grâce à cette asymétrie de masse. On sait que les ondes (sonores, lumineuses etc...) peuvent être décomposées en somme d'ondes d'une fréquence simple et bien déterminée décrites par des sinusoides élémentaires. Il y a donc un spectre comme disent les physiciens avec certaines fréquences présentes et d'autres non. Chacune de ces ondes élémentaires a aussi une amplitude, de sorte que certaines composantes, dans le cas d'un son par exemple, seraient très fortes et d'autres presque inaudibles. Ces harmoniques sont en quelque sorte la carte d'identité d'un son et donc d'un instrument de musique et de la partition que l'on peut jouer avec lui.

Dans le cas de GW190412, les chercheurs ont pu mesurer des harmoniques théoriquement prédites par les équations de la relativité d'Einstein que l'on n'arrivait pas encore à observer à la fois parce que les masses des trous noirs en jeu étaient comparables mais aussi, dans une moindre mesure, parce que la sensibilité des détecteurs est sans cesse améliorée lors de pauses entre deux « runs ».

Dans un communiqué du CNRS, qui est impliqué dans la collaboration europénne Virgo utilisant le détecteur situé non loin de Pise, en Italie, Giancarlo Cella, chercheur à l'Istituto nazionale di Fisica Nucleare (INFN) italien et actuellement coordinateur de l'analyse de données pour la Collaboration Virgo, explique ainsi que « les détecteurs Virgo et Ligo deviennent de plus en plus sensibles, le taux de détection augmente et nous nous attendons à observer des événements nouveaux ou inattendus. GW190412 est inhabituel et intéressant, à cause de la grande différence de masse entre les deux trous noirs qui ont fusionné. Nous découvrons que de tels systèmes existent et en apprenons plus sur leur rareté. Cela nous permettra de comprendre comment ils se sont formés, une question qui me passionne ».

La théorie de la gravitation d'Einstein en sort renforcée ainsi que la théorie des trous noirs basée sur la fameuse métrique de Kerr décrivant l'espace-temps associé à un trou noir en rotation. Enfin, il se trouve qu'il y a plusieurs scénarios permettant de rendre compte de la disparité entre les masses des trous noirs dans des systèmes binaires et qui conduisent à des prédictions quant aux populations de ces objets. Ces scénarios dépendent notamment des lieux de formation des trous noirs binaires, par exemple dans des amas globulaires ou autour de trous noirs supermassifs. Les prochaines détections de collisions de trous noirs, renforcées par l'arrivée de nouveaux détecteurs comme Kagra, devraient donc être très instructives aussi bien pour la physique fondamentale que pour l'astrophysique.

  • Ligo et Virgo deviennent de plus en plus sensibles et continuent de détecter les ondes gravitationnelles produites par des collisions de trous noirs stellaires.
  • Pour la première fois, la fusion observée s'est produite avec des trous noirs de masses vraiment différentes, 30 et 8 masses solaires.
  • Voila de quoi tester de nouveaux aspects de la physique des trous noirs et mieux comprendre comment et dans quels environnements astrophysiques ces astres compacts se forment.
  • Les résultats obtenus sont, pour le moment, conformes à la théorie de la relativité générale d'Einstein mais cela pourrait changer dans le futur.
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