ONDES GRAVITATIONNELLES : LIGO, ENCORE, EN ATTENDANT VIRGO…

ONDES GRAVITATIONNELLES : LIGO, ENCORE, EN ATTENDANT VIRGO…

Et de deux ! Le détecteur d’ondes gravitationnelles américain Ligo vient de rééditer son exploit de septembre 2015, en observant la fusion de deux trous noirs, à 1,4 milliard d’années-lumière d’ici.

C’est donc la seconde fois, en seulement trois mois d’observation, que Ligo parvient à déceler ces infimes vibrations de la trame de l’espace-temps, provoquées par des évènements cosmiques d’une puissance vertigineuse…

Reprenons : la première détection a eu lieu le 14 septembre 2015, une date marquante de l’histoire des sciences. Ce jour là, les deux interféromètres de Hanford et Livingstone, situés à 3000 kilomètres l’un de l’autre, de part et d’autre des Etats-Unis, se déformèrent, à 7 milliseconde d’intervalle et 0,2 seconde durant, pendant le passage d’un train d’ondes gravitationnelles, des « rides » de l’espace-temps se déplaçant à la vitesse de la lumière…

L’évènement était dû, 1,3 milliard d’années auparavant, à la fusion de deux trous noirs d’une masse respective de 36 et 29 masses solaires. De véritables monstres stellaires. La fusion de ces deux astres avait créé un nouveau trou noir plus massif, de 62 masses solaires. Le solde de la masse – trois fois le Soleil… – avait été dissipé en ondes gravitationnelles : le phénomène cosmique le plus puissant de l’Univers à cet instant là.
Trois mois plus tard, le 26 décembre 2015, Ligo récidive en observant la fusion de deux trous noirs, encore, à la distance de 1,4 milliard d’années-lumière. Cette fois-ci, les trous noirs arborent respectivement des masses de 14 et 8 masses solaires, le trou noir résultant de la fusion ayant une masse de 21 masses solaires.

La masse manquante, équivalent à celle du Soleil, ayant disparu dans le flot invisible d’ondes gravitationnelles…
Cette fois-ci, la masse des deux astres du couple étant plus faible, l’évènement, moins énergétique a duré plus longtemps : une seconde, et sa détection par Ligo a été plus difficile.
Mais qu’a observé Ligo ? Une vibration, noyée dans le bruit de fond de la Terre… Comment, dès lors, les astronomes peuvent-ils affirmer que deux trous noirs, en une seconde, se sont fondus en un seul, comment peuvent-ils annoncer la masse des deux astres, et leur distance ?
En fait, Ligo est actuellement très myope, il n’a pas « vu » les deux astres, comme le ferait un télescope optique, un télescope infrarouge, X ou gamma, ou un radiotélescope… Sa résolution, c’est à dire sa capacité à percevoir des détails sur les astres, est vertigineusement faible : il est impossible, aujourd’hui, de savoir où la fusion des deux astres a eu lieu, dans le volume d’Univers embrassé par Ligo, il existe des milliards de galaxies…
Au fond, les astronomes, face au ciel « gravitationnel » sont un peu comme des aveugles qui voudraient, à partir du « ding dong » qu’elle émet, reconstituer la forme, la taille, la masse d’une cloche d’église…
Une fois enregistré le faible signal gravitationnel de la fusion des trous noirs – c’est à dire la déformation, durant une seconde, des interféromètres, perceptible sur le changement de trajet des lasers qui les parcourent – un logiciel l’a automatiquement détecté. Un peu plus d’une minute après l’évènement, les astronomes étaient alertés, et pouvaient rechercher une éventuelle contrepartie du phénomène dans le spectre électromagnétique…

Dans le cas de la fusion de trous noirs, il est probable qu’aucun autre signal ne soit émis, mais d’autres phénomènes – supernovae, chutes d’étoiles dans des trous noirs, etc – doivent donner lieu, en plus du rayonnement gravitationnel, à une gigantesque émission lumineuse…
Puis les chercheurs ont comparé la courbe enregistrée à des millions de courbes théoriques, calculées à partir des équations de la relativité générale et correspondant à autant de couples de trous noirs en approche de fusion.
C’est donc après des mois de calcul que la collaboration Ligo/Virgo a pu annoncer que l’évènement gravitationnel GW151226 correspondait, avec une très haute probabilité, à la fusion de deux trous noirs de 14 et 8 masses solaires situés à 1,4 milliard d’années-lumière.

 

Avec ses deux antennes de détection, l'interféromètre Ligo est actuellement très myope. Voici les deux immenses régions du ciel où ont pu avoir lieu les deux fusions de trous noirs détectées les 14 septembre et 26 décembre 2015. Quand Virgo s'associera à Ligo, la précision de mesure, c'est à dire la résolution du "télescope gravitationnel" que les trois antennes synthétiseront, sera spectaculairement améliorée. Document Ligo.

Avec ses deux antennes de détection, l’interféromètre Ligo est actuellement très myope. Voici les deux immenses régions du ciel où ont pu avoir lieu les deux fusions de trous noirs détectées les 14 septembre et 26 décembre 2015. Quand Virgo s’associera à Ligo, la précision de mesure, c’est à dire la résolution du “télescope gravitationnel” que les trois antennes synthétiseront, sera spectaculairement améliorée. Document Ligo.

L’ère de l’astronomie gravitationnelle a donc bel et bien débutée. Deux détections en trois mois, dès ses débuts, augurent d’un brillant futur pour cette nouvelle fenêtre ouverte sur l’Univers.
Bientôt, les premiers résultats astrophysiques et cosmologiques vont émerger des données. Première surprise : Ligo n’a détecté que des fusions de trous noirs de très grande masse, alors que la première source de rayonnement gravitationnel attendue correspondait à des fusions d’étoiles à neutrons, probablement cent fois ou mille fois plus fréquentes…
Déjà, les chercheurs se demandent comment des trous noirs aussi massifs peuvent se retrouver aussi près l’un de l’autre, quand on sait que ces astres obscurs se sont formés après l’explosion d’étoiles supergéantes, rarissimes et dévastatrices…
Une piste : les trous noirs massifs des couples GW150914 et GW151226 se seraient formés dans des milieux stellaires très denses et chaotiques, comme les amas globulaires ou les noyaux galactiques, par exemple.
Un troisième évènement a été enregistré par Ligo, le 12 octobre 2015, LVT151012, mais n’a pas été retenu officiellement, la qualité de son signal étant jugée insuffisante.
Si Ligo peut être considéré aujourd’hui comme atteint d’une très sévère myopie, il n’en sera, espérons-le, plus de même dans quelques mois, lorsque l’interféromètre Virgo, près de Pise, en Italie, s’engagera à son tour dans la recherche d’ondes gravitationnelles.

Avec Ligo et Virgo fonctionnant ensemble, les chercheurs disposeront d’un interféromètre de la taille de la Terre ou presque, permettant une triangulation beaucoup plus précise, du fait de la différence d’arrivée temporelle des signaux sur chaque antenne.
On pourra alors, effectivement, parler de « télescope gravitationnel » capable d’observer des sources avec une résolution de quelques degrés dans le ciel.
La montée en puissance de ces deux machines révolutionnaires devrait permettre, d’ici l’an 2020, de détecter des centaines, voire des milliers de ces implosions invisibles et titanesques.
Il est en effet impossible, à notre très modeste échelle humaine, de réaliser se qui se passe réellement, quand, dans le cosmos, deux trous noirs fusionnent. Essayez d’imaginer la coalescence de deux trous noirs, à un milliard d’années-lumière.

Si l’énergie gravitationnelle produite à l’acmé de la fusion était émise sous forme de lumière, ici, sur Terre, malgré la sidérante distance nous séparant de l’évènement, nous serions un instant éblouis, dans la nuit, par un flash plus puissant que la Pleine Lune.

Serge Brunier
Science & vie

Lamia Siffaoui
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