Ondes gravitationnelles : première détection conjointe par le LIGO et Virgo

Les scientifiques des collaborations LIGO et Virgo ont observé, pour la première fois avec trois détecteurs, des ondes gravitationnelles émises lors de la fusion de deux trous noirs. Ce résultat confirme le bon fonctionnement de l’instrument Advanced Virgo, qui s’est joint aux observations des deux détecteurs LIGO le 1er août et dont c’est la première détection. Il ouvre la voie à une localisation bien plus précise des sources d’ondes gravitationnelles.


Le détecteur VIRGO a détecté sa première onde gravitationnelle - Crédit : The Virgo collaboration
Le détecteur VIRGO a détecté sa première onde gravitationnelle - Crédit : The Virgo collaboration

Les trous noirs sont le stade ultime de l’évolution des étoiles les plus massives. Il arrive que certains évoluent en couple. Ils orbitent alors l’un autour de l’autre et se rapprochent lentement en perdant de l’énergie sous forme d’ondes gravitationnelles, un phénomène qui finit par s’accélérer brusquement jusqu’à les faire fusionner en un unique. Un tel tourbillon final avait déjà été observé trois fois par les détecteurs LIGO en 2015 et début 2017. Cette fois ce sont trois instruments qui en ont été témoins, le 14 août 2017 à 10h30 UTC, permettant une bien meilleure localisation dans le ciel.12

Ce nouvel évènement confirme que les couples de trous noirs sont relativement abondants et va contribuer à leur étude. Les deux trous noirs, qui avaient des masses égales à 25 et 31 fois celle du Soleil, ont fusionné en un trou noir de 53 masses solaires, l’équivalent de 3 masses solaires ayant été converties en énergie sous forme d’ondes gravitationnelles. Cet événement s’est produit à environ 1,8 milliard d’années-lumière de la Terre ; autrement dit, les ondes gravitationnelles se sont propagées dans l’espace pendant 1,8 milliard d’années avant d’être détectées par le détecteur Advanced LIGO situé en Louisiane (États-Unis), puis 8 millièmes de seconde plus tard par celui situé dans l’État de Washington, et enfin 6 millièmes de seconde après par Advanced Virgo situé près de Pise en Italie.

Le saviez-vous : Juste avant la coalescence, les 2 trous noirs peuvent se déplacer à une vitesse de 150 000 km/s comme le rapporte la mesure de la première détection des ondes gravitationnelles en 2015. On peut juste imaginer des objets, qui font plusieurs fois, la masse du soleil, qui se déplacent à une vitesse de la moitié de celle de la lumière.

L’apport d’un troisième instrument, Advanced Virgo, permet d’améliorer significativement la localisation des évènements astrophysiques à l’origine des ondes gravitationnelles. Ces évènements, extrêmement violents, peuvent dans certains cas éjecter de la matière très chaude qui peut être visible pour des télescopes optiques. Avec seulement deux détecteurs d’ondes gravitationnelles, la zone de recherche dans le ciel s’étendait sur une zone équivalant à plusieurs milliers de fois la surface de la pleine Lune. Grâce à Advanced Virgo, elle est environ dix fois plus petite, et l’estimation de la distance à laquelle se trouve la source est aussi deux fois meilleure. Ceci améliore grandement les chances d’observer des signaux avec d’autres instruments.

 Localisation de la source des ondes gravitationnelles. En jaune : localisation obtenue avec les deux détecteurs LIGO. En vert : localisation obtenue en utilisant les données des trois détecteurs (LIGO et Virgo), par une analyse en temps réel. En mauve : localisation plus précise obtenue après une analyse plus poussée. Crédit : LIGO-Virgo


Localisation de la source des ondes gravitationnelles.
En jaune : localisation obtenue avec les deux détecteurs LIGO.
En vert : localisation obtenue en utilisant les données des trois détecteurs (LIGO et Virgo), par une analyse en temps réel.
En mauve : localisation plus précise obtenue après une analyse plus poussée.
Crédit : LIGO-Virgo

Pour cet évènement, la combinaison des temps d’arrivée avec l’amplitude des signaux observés a permis d’établir une zone de recherche dans le ciel de 80 degrés carré3, qui a été scrutée par 25 groupes d’astronomes. Comme pour les précédents événements, aucun signal optique n’a été observé.

Un autre atout du détecteur Virgo est son orientation, différente de celle des deux instruments LIGO. Ceci rend possible de nouveaux tests de la théorie de la relativité générale, élaborée par Albert Einstein, qui décrit la force de gravitation. En effet, cette théorie prédit que lors du passage d’une , l’espace s’étire dans une direction tout en se contractant dans une autre, au lieu, par exemple, de se déformer dans une seule direction ou dans toutes les directions à la fois comme le prédisent des théories alternatives. L’analyse des signaux observés indique que c’est effectivement le cas. C’est un prélude à de futurs tests plus poussés de la relativité générale. En attendant de nouvelles observations à l’automne 2018, les premières données de ce réseau de trois détecteurs sont toujours en cours d’analyse et devraient donner lieu prochainement à d’autres annonces.

Sources

1.
Physical Review Letters – Accepted Paper: GW170814: A three-detector observation of gravitational waves from a binary black hole coalescence. journals.aps.org. https://journals.aps.org/prl/accepted/69074Y64W381ce5618c199a889597e6e32e431e9e. Accessed September 28, 2017.
2.
Ondes gravitationnelles : première détection conjointe LIGO-Virgo. www2.cnrs.fr. http://www2.cnrs.fr/presse/communique/5213.htm. Accessed September 28, 2017.

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Jacqueline Charpentier

Ayant fait une formation en chimie, il est normal que je me sois retrouvée dans une entreprise d'emballage. Désormais, je publie sur des médias, des blogs et des magazines pour vulgariser l'actualité scientifique et celle de la santé.

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