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Les ondes gravitationnelles

La découverte (II)

Tout commença par des rumeurs qui circulèrent sur le web fin 2015 et début 2016 initiées par le physicien théoricien et cosmologiste américain Lawrence M. Krauss (bien connu pour ses conférences et ses livres) à propos de la détection d'ondes gravitationnelles par aLIGO.

 La découverte fut officiellement annoncée le 11 février 2016 par l'Observatoire LIGO au nom de l'ensemble des chercheurs (collaborations LIGO, Virgo, GEO, MIT, AEI/MPG, NSF, etc.) qui déclara que leurs détecteurs avaient effectivement enregistré un évènement GW150914 produit par des ondes gravitationnelles émises par l'interaction de deux trous noirs. L'information fut aussitôt publiée dans les magazines scientifiques puis relayée par les médias[5].

A gauche, les signaux de l'évènement GW150914 détectés par aLIGO le 14 septembre 2015 ainsi que le spectrogramme. Ils confirment les modèles théoriques. L'amplitude de 10-21 sur 4 km correspond à une déformation de 4x10-18 mètres. Le bruit résiduel correspond au bruit stochastique restant lorsque le signal de l'onde gravitationnel est retiré. A droite, l'nterprétation des signaux. Documents B.P.Abbott et al./LIGO (2016) adaptés par l'auteur.

Le physicien B.P.Abbott responsable de la collaboration ccientifique LIGO décrivit la découverte en ces termes : "Les ondes gravitationnelles ont été détectées le 14 septembre 2015 à 9h50s45m TU par les deux lasers des détecteurs jumeaux de LIGO situés à Livingston, en Louisiane, et à Hanford dans l'état de Washington.[..]. Sur base des signaux observés, les scientifiques de LIGO estiment que les trous noirs à l'origine de cet évènement sont environ 29 et 36 fois plus massifs que le Soleil et l'émission s'est produite il y a 1.3 milliard d'années. Environ 3 fois la masse du Soleil fut convertie en ondes gravitationnelles en une fraction de seconde".

Comme l'explique ces deux articles parus dans les revues "Science" et "Nature" en 2016, c'est le physicien Marco Drago qui découvrit le signal sur un des écrans de la salle de contrôle de Livingston. Il envoya immédiatement un avis sur toutes les consoles pour savoir si un collègue avait injecté un signal dans le système. Comme il ne reçut aucune réponse, il en déduisit qu'il pouvait s'agir d'un véritable signal et lança tout le protocole d'identification.

Sur le plan technique, selon B.P.Abbott "le système de détection automatique de LIGO a détecté un signal à Livingston 7 millisecondes avant le détecteur de Hanford. En l'espace de 0.2 seconde le signal augmenta en fréquence et en amplitude sur quelque 8 cycles. L'oscillation émergea à la fréquence de 35 Hertz et s'amplifia jusqu'à 250 Hz avant de disparaître 0.25 seconde plus tard. L'explication la plus plausible de cette amplification ou chirp correspond à deux corps massifs spiralant l'un autour de l'autre émettant des ondes gravitationnelles et fusionnant ensuite. Le délai de 0.007 seconde entre les signaux [enregistrés en] Louisiane et à Washington correspond au temps qu'il fallut à l'onde se déplaçant à la vitesse de la lumière pour se propager entre les deux détecteurs."

Localisation avec 90% de certitude de l'origine de l'évènement GW150914 dans l'hémisphère Sud de la voûte céleste, à 1.3 milliard d'années-lumière derrière les Nuages de Magellan. Mais il aurait fallut plusieurs stations de détections supplémentaires pour affiner la triangulation. Doc LIGO.

Concernant la dynamique du phénomène, juste avant leur coalescence et leur fusion, les deux trous noirs se déplaçaient autour de leur barycentre à une vitesse supérieure à 30% de celle de la lumière (0.3c) soit plus de 100000 km/s. Ce déplacement extrêment violent fut amplifié par l'effet relativiste en créant des vibrations encore plus importantes et rapides de l'espace-temps, générant d'immenses vagues sphériques spiralées qui se propagèrent comme un mégatsunami à travers la stucture de l'espace-temps.

Finalement les deux astres furent propulsés à plus de 0.6c (~180000 km/s) sur une trajectoire de collision dans un dernier mouvement en spirale accéléré. Les ergosphères des deux trous noirs sont entrées en collision et ont fusionné, formant une seule ergosphère plus vaste que celle des deux trous noirs originaux et tournant à une vitesse angulaire inimaginable, voisine de celle des  pulsars millisecondes. Ensuite, à l'image de la coalescence de deux bulles de savon, il fallut une fraction de seconde pour que le trou noir résultant prenne sa forme définitive, émettant encore plus d'ondes gravitationnelles. L'analyse des signaux détectés par aLIGO a montré que les ondes provenaient d'une source située dans l'hémisphère Sud.

La masse du trou noir résultant est de 62 M. La différence de 3 M fut convertie en ondes gravitationnelles en vertu de la loi d'équivalence d'Einstein. Son rayon de Schwarzschild est d'au moins 210 km. La vidéo présentée ci-dessous par LIGO illustre ce phénomène jusqu'à la fusion des deux trous noirs.

Au cours de la conférence de presse, le physicien théoricien Kip Thorne précisa qu'au moment de la collision, l'énergie émise par les ondes gravitationnelles présentaient "un pic d'une puissance équivalente à environ 50 fois la puissance émise par toutes les étoiles visibles dans l'univers ! ". Explications.

La quantité d'énergie émise au cours de la fusion des deux trous noirs sous forme de vibrations de l'espace-temps dépassa de très loin ce qui résulterait si toute la matière contenue dans le Soleil était (par magie) convertie en énergie selon la formule d'équivalence d'Einstein E=mc2[6]. Cette énergie fut de l'ordre de 0.1 Mc2 (ou deux fois plus faible selon le rapport de masse et le spin des trous noirs) et sa durée égale à quelques uns des ISCO (dernière orbite circulaire stable), c'est-à-dire 100 GM/c3. Cela correspond à une puissance d'environ 10-3c5/G ou environ 3 x 1049 watts soit un peu moins de 1023 fois la luminosité du Soleil ! C'est 100 milliards de fois supérieur à l'énergie de la plus puissante supernova ASASSN-15lh (SN 2015L) qui explosa en 2015 en libérant 2 x 1038 watts, soit dix fois plus d'énergie que le précédent record. Sachant qu'il existe environ 1080 baryons dans l'univers observable et que le Soleil en contient 1057, il existe 1023 M de matière baryonique dont 10% tout au plus sont représentés par les étoiles. Par conséquent la luminosité énergétique libérée lors de la fusion de ces deux trous noirs fut quelques ordres de grandeur plus brillante que l'intégralité de la lumière stellaire de tout l'univers observable, alors qu'il ne s'agit après tout que de la fusion de deux trous noirs d'échelle stellaire, ce que Kip Thorne a qualifié à juste titre "d'incroyable" !

A voir : LIGO detects gravitational waves -- Press Conference, NSF/K.Thorn, 2016

Warped Space and Time Around Colliding Black Holes, LIGO, 2016

The Sound of Two Black Holes Colliding, Caltech, 2016

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A gauche, le principe de l'interféromètre LIGO. Un miroir semi-transparent divise le rayonnement laser incident en deux faisceaux. Pendant qu’il se propage, se réfléchissant sur les miroirs, chaque rayon sera plus ou moins perturbé par le passage d’une onde gravitationnelle. A la fin du parcours, les deux faisceaux sont recomposés et analysés par un photodétecteur. Si les ondes sont en phases, l’amplitude est double; si les ondes sont en opposition de phase, le faisceau s’annule; si les deux ondes sont légèrement déphasées, ce sera la preuve qu’elles ont été perturbées par une onde gravitationnelle. C'est exactement ce que les détecteurs LIGO de Louisiane et de Wahsington ont observé le 14 septembre 2015. A droite, modèle 2D de propagation d'une onde gravitationnelle dans l'interaction entre deux corps massifs (dans ce cas-ci deux étoiles à neutrons). Documents T.Lombry adapté de LIGO/Caltech et domaine public.

Concernant l'analyse des données, ce rapport publié le 11 février 2016 par la collaboration LIGO explique que les chercheurs ont analysé les données acquises durant 39 jours calendrier entre le 12 septembre et le 20 octobre 2015 ce qui leur permit de mesurer clairement l'amplitude caractéristique et la progression du signal et d'estimer la qualité des données par rapport au bruit de fond.

Pour s'assurer que l'évènement GW150914 était un véritable signal extérieur et non pas un signal injecté dans le système par un membre de la collaboration LIGO, les scientifiques ont également analysé les propriétés (la caractérisation) des fluctuations aléatoires du bruit des détecteurs de aLIGO. La compilation des données a nécessité 5 jours de travail aux termes desquels les scientifiques ont estimé que le niveau de confiance de l'évènement GW150914 atteignait 5.1 sigma ou déviations standards. Cela signifie qu'en 16 jours d'observation, un tel signal n'a qu'une chance en 200000 ans d'apparaître par hasard. Autrement dit, la probabilité que cet évènement ne soit pas corrélé à un évènement astronomique a été estimé à moins d'une chance sur 3.5 millions.

Cette violente danse cosmique qui se solda par une explosion mégacolossale d'énergie gravitationnelle incurva fortement l'espace-temps. Avant 2005 et le développement de nouveaux processeurs et supercalculateurs, il n'aurait pas été possible de simuler et calculer les étapes de ce processus dont l'instant de coalescence qui exigea des algorithmes de calculs extrêmement complexes et l'aide de puissants superordinateurs.

Salle de contrôle de l'Advanced LIGO à Livingston (LA) le 3 novembre 2015 durant le premier run d'observation (O1) qui débuta mi-septembre 2015 et se termina mi-janvier 2016. Document A.Stuver.

C'est le centre de recherche de l'Institut Max Planck de Physique Gravitationnelle également connu sous le nom d'Institut Albert Einstein (AEI/MPG) installé Hanovre qui réalisa les calculs grâce à son superordinateur Atlas, un cluster comprenant plus de 14000 coeurs de processeurs et 250000 coeurs graphiques. Les ressources informatiques nécessaires au traitement des données d'Advanced LIGO ont représenté plus de 24 millions d'heure-processeur-équivalent (HPE).

Les ondes gravitationnelles qui furent détectées par aLIGO plus d'un milliard d'années après leur émission furent beaucoup plus calmes. Après avoir traversé 1.3 milliard d'années-lumière, les ondes se sont dissipées et affaiblies ne laissant que de petites vaguelettes à peine détectables dans la structure de l'espace-temps. Au passage des ondes gravitationnelles, le changement de longueur des bras de l'interféromètre présenta une amplitude caractéristique (strain) de 10-21. Si on multiplie ce nombre sans dimension par la longueur des bras, on obtient un changement absolu ou déformation de 10-21 x 4 km soit 4 x 10-18 mètres, soit à peine 10 fois plus grand qu'un quark mais encore 6000 fois plus petit que la taille d'un atome d'hydrogène !

Mais si petite que soit cette vaguelette, elle eut l'effet d'un tsunami dans le monde de l'astronomie et de la physique en donnant naissance à une nouvelle science : l'astronomie des ondes gravitationnelles qui était à la recherche de son identité depuis plus de trois décennies. Cette découverte va probablement également donner naissance à de nouvelles applications comme il y en eut en son temps après la découverte du champ électromagnétique, des rayons X ou des micro-ondes.

Illustrations d'une onde gravitationnelle se propageant dans le tissu de l'espace-temps. Document NASA.

La suite des évènements

Que va-t-il se produire à présent ? Sur le plan astrophysique, en résumé, rien ! Nous savons que le trou noir est en rotation mais sa forme et son centre de masse ne changent pas de manière à produire de nouvelles ondes gravitationnelles. Etant donné qu'aucune matière (du gaz ou des poussières) ne fut happé par les trous noirs, ils n'ont pas émis de rayons X et tout porte à croire que nous n'observerons plus jamais ce trou noir. Reste l'improbabilité qu'il capture un autre trou noir et émette de nouvelles ondes gravitationnelles. Mais ne rêvons pas.

Quant à l'observation d'un flash gamma par l'instrument LAT (Large Area Telescope) du télescope spatial Fermi moins d'une seconde après la collision des deux trous noirs, le sujet fut abordé le 18 avril 2016 au cours du meeting de l'American Physical Society. Jusqu'à présent les modèles indiquent que la fusion de deux trous noirs de cette taille - environ 30 M - ne produit aucun flash gamma ni aucun rayonnement visible. Mais le signal enregistré par Fermi remet cette conclusion en question. En effet, selon les chercheurs il y a des chances qu'il fut émis lors de la fusion des deux trous noirs mais ils ont besoin de plus d'indices avant d'émettre toute conclusion hâtive.

Dans l'immédiat, les chercheurs vont donc tenter de découvrir des contreparties électromagnétiques des émetteurs d'ondes gravitationnelles et en particulier des émissions gamma entre 8 keV et 300 GeV et des flashes optiques d'une durée comprise entre quelques microsecondes (les jets bipolaires) et quelques années (l'onde de choc dans le milieu interstellaire) émis par d'autres trous noirs stellaires en collision ou non pour confirmer leur hypothèse. Si ces trous noirs sont aussi nombreux qu'on l'imagine, Fermi ainsi que de grands télescopes tel celui du CTIO de 4 m devraient être capables de détecter ces flashes. Des astrophysiciens et des physiciens de la NASA/GSFC, du CfA, de l'Université d'Alabama et de l'Insitut Max Planck parmi d'autres sont impliqués dans ce projet.

Sur le plan théorique, certains astronomes tels Krzysztof Belczynski de l'Université de Varsovie et ses collègues américains ainsi que Vitor Cardoso de l'Université de Lisbonne et ses collègues ne sont pas persuadés que le signal fut émis par la fusion de deux trous noirs qui dans leur esprit reste une hypothèse parmi d'autres. En résumé, selon Cardoso et son équipe, "bien que le trou noir reste l'hypothèse du rasoir d'Occam la plus convaincante, il est important de garder à l'esprit la nature élusive de l'horizon des évènements et les défis associés à sa détection directe".

Depuis cette découverte, LIGO et les installations du même type ont détecté plusieurs autres évènements que nous allons détailler dans le dernier chapitre.

Dernier chapitre

Détection de nouveaux signaux

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[5] La découverte des ondes gravitationnelles fut annoncée le 11 février 2016 par LIGO. Elle fut publiée dans les Physical Review Letters (v116, 6, 2016) dont voici les coulisses de la publication de cet évènement et Nature puis relayée par la NASA et l'ESA parmi d'autres institutions et ensuite par les webzines d'actualité et les médias ainsi que les réseaux sociaux.

[6] Pour apprécier la quantité d'énergie qui fut libérée lors de la fusion des deux trous noirs, prenons l'exemple du Soleil. Aujourd'hui la surface du Soleil irradie 3.8x1023 kW. Il dissipe dans l'espace l'équivalent de 1020 kWh par seconde dont une partie est perdue et dont la Terre ne peut exploiter qu'une fraction des 1.743x1014 kW qu'elle reçoit sur toute sa surface, soit 1367 W/m2/s, c'est l'irradiance solaire. Cette énergie libérée chaque seconde par le Soleil et qui nous paraît déjà très puissante à la distance de la Terre ne représente que 10-17 % de sa masse soit 500 millions de tonnes d'hydrogène qu'il transforme chaque seconde en hélium et chaleur parmi d'autres rayonnements. Imaginez à présent que le Soleil transforme 10 % de sa masse en énergie. Ce serait encore ridicule comparé à l'énergie libérée par la collision des deux trous noirs estimée à 3x1049 watts soit un peu moins de 1023 fois la luminosité du Soleil.


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