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Les ondes gravitationnelles

Détection de nouveaux signaux (III)

GW151226 : du bruit

Après la découverte de GW150914 le 14 septembre 2015, comme un évènement n'arrive jamais seul et peut-être pour contredire Belczynski et ses collègues, le 26 décembre 2015, Abbott et ses collègues de la collaboration scientifique LIGO et Virgo ont annoncé avoir détecté un nouveau signal GW151226, cette fois émis par la fusion de deux trous noirs d'une masse totale de 22 M.

Toutefois, le 15 juin 2016, au cours de la 228e réunion de l'American Astronomical Society les mêmes chercheurs ont annoncé que ce signal très faible présentait des caractéristiques différentes du premier évènement. Des contre-analyses ont montré que son amplitude était inférieure au seuil de sensibilité des instruments. Autrement dit, le deuxième évènement est en fait du bruit et non pas un véritable signal.

GW170104 : fusion de deux trous noirs de 19 M et 32 M

Le 1 juin 2017, la collaboration scientifique LIGO et Virgo annonça avoir détecté un nouveau signal GW170104, cette fois émis par la fusion de deux trous noirs de respectivement 19 M et 32 M qui après fusion ont formé un trou noir d'environ 49 M. Les 2 M résiduelles furent converties en énergie gravitationnelle qui fut détectée par LIGO après avoir parcouru près de 3 milliards d'années-lumière (Z=0.18). Avant leur fusion, les deux trous noirs stellaires présentaient une taille de respectivement 115 km et 190 km de diamètre. Le trou noir résultant de leur fusion mesure 280 km de diamètre. Les analyses ont également permis d'estimer la masse des gravitons à 7.7x10-23 eV/c2.

Notons que l'onde gravitationnelle a détendu le faisceau laser de l'interféromètre LIGO d'une longueur de 0.000 000 000 000 000 001 mètre soit 1x10-18 m, ce qui est 1000 fois plus petit que la taille d'un proton ! Les physiciens ont calculé que la probabilité que les détecteurs des laboratoires de Hanford et de Livingston enregistrent simultanément le même phénomène était de 1 en 70000 ans. Autrement dit, il est excessivement peu probable que le signal détecté soit un bruit aléatoire ou une erreur instrumentale.

GW170814 : fusion de deux trous noirs de 30.5 M et 25.3 M

Le 14 août 2017 à 10:30:43 TU, un quatrième signal d'onde gravitationnelle issu de la fusion de deux trous noirs a été détecté. Dénommé GW170814, c'est le premier évènement observé par 3 détecteurs, incluant non seulement les deux détecteurs LIGO américains mais également le détecteur franco-italien Virgo Advanced, ce qui a permis une meilleure triangulation de la localisation de l'évènement.

Le signal fut émis par la fusion de deux trous noirs de masse stellaire estimée respectivement à environ 30.5 M et 25.3 M situés à environ 1.8 milliard d'années-lumière dans la constellation d'Eridan.

L'analyse de la polarisation du signal a également permis de confirmer la validité de la théorie de la relativité générale. En outre, sur base du décalage Doppler (z=0.11), les physiciens ont pu estimer deux paramètres cosmologiques (assumant un modèle d'univers plat FRW) : la constante de Hubble Ho = 67.9 km/s/Mpc (très proche de la valeur de 67.8 km/s/Mpc calculée en 2013 à partir des données du satellite Planck) et le paramètre de densité (la densité baryonique moyenne) ΩM = 0.3065, qui est bien dans la fourchette 0.27-0.41 obtenue par d'autres chercheurs et par la mission Planck. On en reparlera en cosmologie.

Caractéristiques et localisation du signal GW170814 détecté le 14 août 2017 par LIGO et VIRGO. Il provient de la fusion de deux trous noirs stellaires situés à 1.8 milliard d'années-lumière dans la constellation d'Eridan.

Enfin, les caractéristiques du trou noir résultant de GW170814 sont similaires à GW150914 et GW170104 et se révèlent compatibles avec la population astrophysique et le taux de fusion des trous noirs déterminé au cours des précédentes détections.

GW170817 : fusion de deux étoiles à neutrons

Le 17 août 2017, l'interféromètre LIGO en collaboration avec l’interféromètre Virgo détecta un cinquième passage d’ondes gravitationnelles qui fut nommé GW170817. Quelque deux secondes plus tard, deux télescopes spatiaux gamma, Fermi de la NASA et INTEGRAL de l’ESA ainsi que les télescopes H.E.S.S. détectèrent un bref sursaut gamma pulsé en provenance de cette même région du ciel (cf. ce diagramme de la collaboration H.E.S.S., ApJ, 2017). Il fallait à présent déterminer s'il s'agissait d'une simple éruption gamma ou d'une brève éruption gamma typique des GRBs (Gamma-Ray Bursts).

Dans un article publié en juillet 2017 dans les "MNRAS", malgré l'avis négatif de certains spécialistes, l'astrophysicien théoricien Davide Lazzati de l'Université d'Orégon et ses collègues suggérèrent que la fusion de deux étoiles à neutrons était susceptible de produire des éruptions gamma visibles depuis la Terre, même si le faisceau ne pointait pas dans notre direction (il serait simplement plus faible).

Dans les heures qui suivirent l'évènement, les télescopes de l'ESO (VISTA, VST et REM) puis les Pan-STARRS et Subaru furent sollicités pour identifier optiquement la source de rayonnement. La source de lumière fut identifiée à proximité de la galaxie lenticulaire NGC 4993 située à environ 130 millions d'années-lumière dans la constellation de l’Hydre.

Puis le 26 août 2017, le satellite Chandra détecta une brève émission de rayons X provenant de la source GW170817.

C'était la première fois qu'une source astrophysique fut détectée par ses ondes gravitationnelles et ses rayonnements émis à travers tout le spectre électromagnétiques.

Suite à ces observations, le 16 octobre 2017 l'ESO et Chandra annoncèrent officiellement la découverte de la contrepartie visible de cette source d'ondes gravitationnelles.

A voir : New Gravitational Wave Discovery (GW170817), LIGO Virgo

A gauche, la galaxie NGC 4993 située à environ 130 millions d'années-lumière dans la constellation de l’Hydre. Au centre, observation de la contrepartie optique du signal GW170817 et du flash gamma dans la galaxie NGC 4993 par le Télescope Spatial Hubble. A droite, le décalage en fréquence de l'onde gravitationnelle lors de son passage dans l'interféromètre LIGO. Documents ESO, ESO/ESA/STScI et LIGO.

Les spectres obtenus par le NTT et le VLT permirent de détecter les émissions d'éléments lourds et radioactifs comme le platine, l'uranium et probablement le césium et de tellure (un isotope du césium), tous prédits par les modèles de fusion des étoiles à neutrons. De l'or a même été produit dont la quantité fut estimée à la masse de la Terre ! Ces éléments ainsi que d’autres auraient été disséminés dans l’espace lors de la phase kilonova; l'évènement de nature explosive présentait une luminosité 1000 fois supérieure à celle d’une nova classique.

Le processus de nucléosynthèse d'éléments plus lourds que le fer appelé "processus r" (cf. le Soleil) était jusqu’à présent purement théorique et sa découverte dans un phénomène céleste confirme que les modèles sont très près de la réalité.

L'explosion ne fut pas observée immédiatement dans le spectre visible car on apprit plus tard qu'on n'avait pas observé le faisceau ou beam dans l'axe mais sous une inclinaison d'environ 30° selon les dernières analyses publiées en 2018 par Lazzati et ses collègues.

A partir de ces données, on pouvait à présent conclure que ces émissions X et gamma provenaient d'un faisceau de particules de haute énergie produit au moment de la fusion de deux étoiles à neutrons. Les jet structurés présentaient un noyau relativiste très énergétique entouré de particules plus lentes de plus faible énergie qui produisirent une émission de rémanence qui s'intensifia au cours du temps.

Finalement, en 2018 Lazzati et ses collègues confirmèrent dans les "Physical Review Letters" que le jet pulsé et collimaté de rayons gamma observé dans les éjecta correspondait au modèle précis dit canonique d'au moins une éruption GRB.

A voir : Fusion de deux étoiles à neutrons, NASA

A gauche, la kilonova observée en UV par satellite Swift de la NASA observée 15 heures après l'évènement GW170817 produit par la fusion de deux étoiles à neutrons le 18 août 2017. Au centre, la kilonova observée par le Télescope Spatial Hubble superposée à l'enregistrement rayons X de Chandra détecté 9 jours plus tard. Cliquer sur les images pour lancer les animations (GIF de 1 MB). A droite, illustration de la fusion de deux étoiles à neutrons qui fut à l'origine de la kilonova. Ce phénomène produit tout un spectre de rayonnements très énergétiques (X, γ) y compris tout l'éventail des éléments lourds. Documents NASA/Swift, NASA/CXC/E.Troja et Robin Dienel/CIS.

Restait à présent à déterminer si l'objet résultant de la fusion était encore une étoile à neutrons ou s'il s'était transformé en trou noir. S'il s'agissait d'une étoile à neutrons, les astronomes s'attendaient à découvrir une étoile en rotation très rapide et générant un champ magnétique très intense (un pulsar milliseconde ou un magnétar). Dans ce cas, l'étoile aurait émis ce qu'on appelle un vent de pulsar (cf. les SNR), une bulle en expansion composée de particules de haute énergie (comme celle que peut émettre un magnétar) qui aurait entraîné une émission de rayons X s'intensifiant en quelques années, passant de ~102 à ~1052 ergs.

Au lieu de cela, les données de Chandra ont montré que le niveau de rayons X fut des centaines de fois plus faibles que la valeur théorique, y compris en tenant compte de l'énergie de la bulle de vent de pulsar. Selon les données de la collaboration Fermi LAT, la luminosité de l'explosion était au maximum de 9.7x1043 erg/s soit un un facteur 5 fois inférieur au flash du GRB 090510.

Entre-temps, des mesures réalisées avec l'installation radiointerférométrique du VLBA montrèrent que l'émission X provenait uniquement de l'onde de choc générée lors de la collision survenue au moment de la fusion des deux étoiles et du phénomène de kilonova. Cet indice semblait renforcer l'hypothèse que l'objet résultant serait un trou noir.

Variation à 4 mois d'intervalle de la luminosité de la contrepartie rayons X de la source GW170817. Chaque image couvre environ 0.5' ou ~205000 années-lumière. Compte tenu de la durée du phénomène, de l'évolution bien trop calme des émissions de rayons X et de l'intensité du champ magnétique, le résidu de l'explosion s'est vraisemblablement transformé en étoile à neutrons hypermassive. Documents NASA/CXC.

Selon les chercheurs, en supposant que la luminosité de l'éventuelle rémanent d'étoile à neutrons fut totalement convertie en émissions de rayons X avec un vent de pulsar dans la bande 0.5-8 keV avec une efficacité de 0.1% et un champ magnétique dipolaire de 3x1011 à 1014 G, les émissions X auraient dû être plus lumineuses que celles observées près de 4 mois après l'évènement (à J+107).

Dans un premier temps, David Polley de l'Université de Trinity et ses collègues en 2018 concluèrent dans les "Astrophysical Journal Letters" (en PDF sur arXiv) que la fusion des deux astres forma un trou noir d'environ 2.7 M, le petit connu à ce jour. Mais les résultats de nouvelles analyses publiées en novembre 2018 sur le site de la RAS ont montré que la fusion des deux étoiles à neutrons ne forma pas un trou noir mais donna plutôt naissance à une nouvelle étoile à neutrons hypermassive. La conclusion des scientifiques est soutenue par les données du spectrogramme LIGO que l'on voit ci-dessous.

Graphique illustrant l'évènement GW170817 produit par la coalescence de deux étoiles à neutrons enregistré par l'observatoire LIGO. On voit clairement le passage de l'onde gravitationnelle (son décalage en fréquence) sous la forme d'une séquence de points dans la courbe ascendante. Document LIGO/M.H.P.M van Putten & M. Della Valle.

Nous verrons à propos du processus r que la fusion des deux étoiles à neutrons donna naissance à un jet bipolaire présentant un effet superluminique; un point chaud s'étant déplacé apparemment de 2 années-lumière en 155 jours, ce qui correspond à une vitesse apparente de 4c !

Confirmation des 4 dimensions de l'espace-temps

Selon les théories supersymétriques (cf. les supercordes) comme la théorie de la supergravité de Kaluza-Klein ou même en modifiant légèrement la théorie de la relativité générale comme le proposent Dvali, Gabadadze et Porrati (DGP), l'Univers pourrait présenter des dimensions supplémentaires accessibles à la gravité. En effet, ces éventuelles dimensions supplémentaires ne sont pas observables avec des ondes électromagnétiques, mais cette information est disponible dans les ondes gravitationnelles, permettant pour la première fois de tester les modèles d'Univers et certaines théories exotiques.

Si ces dimensions spatiales supplémentaires s'étendent à grande échelle, c'est-à-dire si elles ne sont pas enroulées et compactifiées à l'échelle microscopique, une partie du champ gravitationnel pourrait "fuir" dans ces dimensions supplémentaires. Par conséquent, l'intensité des ondes gravitationnelles parvenant aux détecteurs seraient plus faible que prévu.

La source du signal GW170817 produisit à la fois des ondes gravitationnelles et un rayonnement électromagnétique qui furent mesurés par un large éventail d'instruments. En recoupant toutes ces données, les chercheurs ont découvert dans quelle galaxie la fusion eut lieu (près de NGC 4993) et ont donc une bonne estimation de la distance parcourue par les ondes gravitationnelles. En utilisant cette mesure de distance et la mesure de l'intensité du signal des ondes gravitationnelles, les chercheurs ont pu vérifier si le signal suivait les lois de la relativité générale ou un modèle contenant des dimensions spatiales supplémentaires.

En se basant sur deux valeurs de la constante de Hubble obtenues par deux méthodes différentes (cf. CERN Courier, may 2018, p17), l'astrophysicien Kris Pardo de l'Université de Princeton et ses collègues démontrèrent dans un article publié en 2018 dans le "Journal of Cosmology and Astroparticle Physics" que quelle que soit la valeur considérée, les résultats donnent une dimension totale de l'Univers de 4.0 ±0.1. Les données des ondes gravitationnelles n'ont pas révélé l'existence de nouvelles dimensions spatiales comme certains l'espéraient pour expliquer notamment la présence de matière et d'énergie sombre dans l'Univers, cette force qui semble accélérer le taux d'expansion de l'Univers ou comme alternative à la théorie de la relativité générale.

Selon les chercheurs, les résultats des analyses n'ont pas ajouté de contraintes à la théorie des cordes à 10 dimensions et confirment que l'Univers présente bien 3 dimensions spatiales et une dimension temporelle sur des échelles spatiales comprises entre ~1.5 km et au moins 80 millions d'années-lumière. En dehors de ces bornes, on ne peut pas encore le certifier. Toutefois, les chercheurs reconnaissent qu'il existe de nombreuses théories alternatives pouvant être valides mais qu'il n'est pas possible de les tester toutes. En attendant, les lois de la physique ont passé avec succès ce nouveau test de cohérence.

L'analyse des données indique également que la durée de vie du graviton est d'au moins 450 millions d'années. En effet, si la gravité avait "fuit" dans des dimensions supplémentaires, la décroissance des gravitons détectés sur Terre aurait provoqué un affaiblissement du signal des ondes gravitationnelles. Or les gravitons n'ont subi aucune décroissance contrairement à ce que prédisaient certaines théories alternatives qu'on peut dorénavant écarter.

Comme les auteurs l'ont souligné dans leur article, les résultats concernent uniquement les modèles d'Univers finis (c'est-à-dire fermés mais sans limites) sans dimensions supplémentaires macroscopiques. Etant donné que de nouveaux évènements sont régulièrement détectés avec une précision accrue, à l'avenir cela pourrait changer. Un paramètre prometteur capable de sonder un plus grand nombre de modèles est la polarisation des ondes gravitationnelles. Malheureusement, pour GW170817 les informations de polarisation n'étaient pas disponibles au moment de l'observation en raison du nombre limité de détecteurs. Mais bientôt les physiciens disposeront de détecteurs supplémentaires grâce notamment aux installations KAGRA au Japon et IndIGO en Inde.

GW170608 : Fusion d'un trou noir binaire de 19 M

Le 15 novembre 2017, la collaboration LIGO annonça la découverte d'une nouvelle coalescence de deux trous noirs de 7 et 12 M détectée le 8 juin 2017. La masse du trou noir résultant est de 19 M.

Nouvelles détections

Quatre nouvelles détections d'ondes gravitationnelles furent annoncées en 2018 puis quatre supplémentaires par les collaborations LIGO et VIRGO. La plupart concerne la fusion de trous noirs stellaires mais il y a également la fusion d'étoiles à neutrons.

Comparaison des rapports de masses (q, gauche) et le rapport de masse (Mf) et de magnitude de spin (af) du trou noir résultant (droite) des diférentes fusions stellaires accompagnées d'ondes gravitionnelles détectées par LIGO et VIRGO jusqu'en 2018. Document LIGO Scientific Coll/Virgo Coll.

S190814bv

Enfin, en 2019 LIGO et Virgo ont détecté l'évènement S190814bv, des ondes gravitationnelles provenant vraisemblablement de l'absorption d'une étoile à neutrons par un trou noir. Un évènement similaire avait déjà été soupçonné en avril 2019 mais le signal était trop faible pour être concluant.

Et les découvertes se succèdent. Si on comptabilise tous les évènements potentiels enregistrés par LIGO et Virgo au cours de leurs différents run, on arrive à un taux d'un évènement par semaine ! A ce rythme, l'astrophysique sera bouleversée comme jamais auparavant.

En guise de conclusion

100 ans exactement après la prédiction d'Einstein, la découverte des ondes gravitationnelles émises par la fusion de deux trous noirs fut une chance extraordinaire si peu de temps après l'installation de l'Advanced LIGO. Cette découverte espérée mais inattendue confirme une fois de plus la réalité de la théorie de la relativité générale et réconforte les physiciens comme les astronomes sur la validité de leurs modèles. Cette découverte va apporter des renseignements très précieux pour toute l'astronomie. En effet, les ondes gravitationnelles permettent de comprendre la structure des corps massifs dont celle des trous noirs en libérant les "censures cosmiques" de Penrose et permettent d'affiner les modèles de l'évolution stellaire.

Si jusqu'au 14 septembre 2015 on pouvait encore se cacher dans l'ombre des planètes, aujourd'hui la gravité éclaire l'univers jusque dans ses moindres recoins.

Reste à détecter les ondes gravitationnelles émises peu après le Big Bang. Leur détection à une température de 1 K sera marquée d'une pierre blanche dans l'histoire de la physique et de la cosmologie ! Jusqu'à présent, il n'y eut qu'une fausse alerte annoncée en 2015 suite à l'analyse des données de la mission Planck.

Pour plus d'informations

Logiciels

Einstein@Home

Black Hole Hunter

Expériences

LIGO (USA), LIGO-India (IndIGO), VIRGO (EU), GEO600 (All.), KAGRA (JP), eLISA, LISA Pathfinder, OMEGA

LIGO Scientific Collaboration (LSC)

GravWav (recherche sur les ondes gravitationnelles HFGW)

Dr. Robert M.L.Baker (HFGW)

Sur YouTube et Dailymotion

LIGO detects gravitational waves -- Press Conference, NSF/K.Thorne, 11 fév 2016

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

The Sound of Two Black Holes Colliding, Caltech, fév 2016

LIGO Gravitational Wave Observatory, Tom's Hardware, 11 fév 2016

Articles scientifiques

W151226: Observation of Gravitational Waves from a 22-Solar-Mass Binary Black Hole Coalescence, B.P.Abbott et al./LIGO, Phys. Rev L., 116, 241103, 15 June 2016

Is the gravitational-wave ringdown a probe of the event horizon? (arXiv),V.Cardoso et al., Phys. Rev. L., 116, 171101, 27 Apr. 2016

GW150914: Implications for the Stochastic Gravitational-Wave Background from Binary Black Holes, B.P.Abbott et al., Phys. Rev.L., 116, 131102, 31 Mar 2016

The origin and evolution of LIGO's first gravitational-wave source (arXiv), K.Belczynski et al., 15 Feb. 2016

Observation of Gravitational Waves from a Binary Black Hole Merger, B.P.Abbott et al./LIGO, Phys. Rev. L., 116, 6, 11 Feb. 2016

Plunge waveforms from inspiralling binary black holes (arXiv), J.Baker et al., Phys.Rev. L., 31 Aug. 2001

Timing Measurements of the Relativistic Binary Pulsar PSR B1913+16 (arXiv), J.M.Weisberg et al., ApJ, 722, 2010

Discovery of a pulsar in a binary system, R.Hulse et J.Taylor, ApJ, 195, L51, 1975

Annonce de la découverte des ondes gravitationnelles le 11 fév 2016

Ondes gravitationnelles : comment la collision de 2 trous noirs a fait vibrer l'Univers, Science et Avenir, 11 fév. 2016

Ondes gravitationnelles : une détection directe historique, Pour la Science, 11 fév. 2016

Les ondes gravitationnelles détectées un siècle après avoir été prédites, Le Monde, 11 fév. 2016

Ondes gravitationnelles : Einstein triomphe à nouveau, Futura-Sciences, 11 fév. 2016

Gravitational waves, Einstein’s ripples in spacetime, spotted for first time, Science, 11 fév. 2016

Einstein's gravitational waves found at last, Nature, 11 fév. 2016

Gravitational Waves Discovered from Colliding Black Holes, Scientific American, 11 fév. 2016

Gravitational Waves Discovered at Long Last, Quanta Magazine, 11 fév. 2016

Gravitational waves detected 100 years after Einstein's prediction, Phys.org, 11 fév. 2016

Found! Gravitational Waves, or a Wrinkle in Spacetime, National Geographic, 11 fév. 2016

In Historic First, Einstein's Gravitational Waves Detected Directly, Space.com, 11 fév. 2016

Gravitational Wave Detection Heralds New Era of Astronomy, Sky & Telescope, 11 fév. 2016

Gravitational Waves Detected, Confirming Einstein’s Theory, The New York Time, 11 fév. 2016

Scientists Confirm Einstein’s Theory of Gravitational Waves, Time Magazine, 11 fév. 2016

Gravitational Waves Found in 1.3 Billion Year Old Black Hole Collision, PBS, 11 fév. 2016

Actualité et commentaires sur les ondes gravitationnelles

LIGO Laboratory News

Dossier LIGO, Journal du CNRS

La lumière gravitationnelle : l'évènement GW150914, Jean-Pierre Luminet (sur son blog)

LIGO and Shot Noise (PDF, support de cours de physique appliquée), U.Columbia

Le blog d'Amber Stuver (membre de la Collaboration Scientifique LIGO)

Gravitational Wave Event Likely Signaled Creation of a Black Hole (GW170817), Chandra, 31 mai 2018

NASA Missions Catch First Light from a Gravitational-Wave Event (GW170817), Chandra, 16 octobre 2017

LIGO Catches its Third Gravitational Wave! (GW170104), LIGO, 1 juin 2017

Ripples in Spacetime: Our New Window on the Universe (conférence vidéo), LIGO, 23 fév. 2016

Riding the Wave (How LIGO and Physical Review Letters worked together to publish the paper of a lifetime), Inside Highered, 24 fév. 2016

Gravitational waves: How LIGO forged the path to victory, Nature, 16 fév. 2016

INTEGRAL upper limits on gamma-ray emission associated with event GW150914 (pas d'émission gamma), INTEGRAL/ESA, 12 fév. 2016

Fermi GBM Observations of LIGO Gravitational Wave event GW150914 (prétendu évènement gamma lié à GW150914, arXiv), 11/16 fév. 2016

When Einstein Was Wrong, Lawrence Krauss, The New York Time, 12 fév. 2016

Remembering Joseph Weber, the controversial pioneer of gravitational waves, Science, 12 fév. 2016

Observing gravitational-wave transient GW150914 with minimal assumptions (arXiv), LIGO, 11 fév. 2016

Here’s the first person to spot those gravitational waves (Marco Drago), Science, 11 fév. 2016

How LIGO Detected Gravitational Waves, PBS, 11 fév. 2016.

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