Les astrophysiciens de la collaboration LIGO-Virgo-KAGRA ont détecté 35 nouvelles ondes gravitationnelles depuis la dernière publication du catalogue en octobre 2020, portant à 90 le nombre total d’événements observés depuis le début des observations d’ondes gravitationnelles. Sur les 35 événements détectés, trente-deux étaient très probablement des fusions de trous noirs – deux trous noirs tournant en spirale l’un autour de l’autre et se rejoignant finalement – et trois étaient des collisions entre des étoiles à neutrons et des trous noirs. Les trous noirs sont de tailles diverses, les plus massifs représentant environ 90 fois la masse de notre Soleil. Plusieurs des trous noirs résultant de ces fusions dépassent les 100 masses solaires et sont classés comme des trous noirs de masse intermédiaire.
Tableau graphique de tous les événements d’ondes gravitationnelles découverts de 2015 jusqu’à la fin du troisième passage d’observation de LIGO/Virgo. Le tableau comprend le nom de l’événement gravitationnel, le type de composant binaire (trou noir, étoile à neutrons ou incertain), les masses du primaire et du secondaire, et la masse de l’objet final fusionné. Crédit image : LIGO / Virgo / KAGRA / C. Knox / H. Middleton.
Les ondes gravitationnelles ont été prédites pour la première fois par Albert Einstein à partir de sa théorie de la relativité générale en 1916.
Comme les ondes gravitationnelles qui atteignent la Terre sont si minuscules, il a fallu plusieurs décennies de travail pour construire des instruments suffisamment précis pour les mesurer.
Depuis la première détection d’ondes gravitationnelles en 2015, le nombre de détections a augmenté à un rythme tonitruant.
En quelques années, les scientifiques spécialisés dans les ondes gravitationnelles sont passés de l’observation de ces vibrations dans le tissu de l’Univers pour la première fois, à l’observation actuelle de nombreux événements chaque mois, et même de plusieurs événements le même jour.
Les détecteurs d’ondes gravitationnelles fonctionnent en utilisant des lasers de haute puissance pour mesurer soigneusement le temps que met la lumière à voyager entre des miroirs le long de deux bras perpendiculaires.
Lors du troisième cycle d’observation, qui s’est déroulé du 1er novembre 2019 au 27 mars 2020, les détecteurs LIGO et Virgo ont atteint les meilleures performances de leur histoire.
Pour réaliser ce progrès monumental, les instruments pionniers sont devenus plus sensibles grâce à un programme de mises à niveau et de maintenance constantes.
“Les détecteurs LIGO et Virgo continuent de s’améliorer grâce, par exemple, à l’augmentation de la puissance des lasers et à l’installation de la lumière comprimée”, a déclaré Madeline Wade, physicienne au Kenyon College.
“Les excellentes sensibilités des détecteurs ont permis l’observation de tant d’autres événements passionnants liés aux ondes gravitationnelles, notamment la toute première détection binaire confiante d’étoile à neutrons et de trou noir.”
“Les dernières découvertes ont représenté un “tsunami” et ont constitué un bond en avant majeur dans notre quête pour percer les secrets de l’évolution de l’Univers”, a déclaré le professeur Susan Scott, chercheuse au Centre d’excellence ARC pour la découverte des ondes gravitationnelles (OzGrav) à l’Université nationale australienne.
“Ces découvertes représentent une multiplication par dix du nombre d’ondes gravitationnelles détectées par LIGO et Virgo depuis le début de leurs observations.”
“Nous avons détecté 35 événements. C’est énorme ! En revanche, nous avons effectué trois détections lors de notre premier cycle d’observation, qui a duré quatre mois en 2015-16.”
“C’est vraiment une nouvelle ère pour les détections d’ondes gravitationnelles et la population croissante de découvertes révèle tellement d’informations sur la vie et la mort des étoiles à travers l’Univers.”
Parmi les 35 nouveaux événements, voici quelques découvertes notables :
(i) GW191219_163120 et GW200115_042309 : deux fusions entre des paires possibles d’étoiles à neutrons et de trous noirs ; l’étoile à neutrons dans GW191219_163120 est l’une des moins massives jamais observées ;
(ii) GW200210_092254 : une fusion entre un trou noir et un objet qui pourrait être soit un trou noir léger, soit une étoile à neutrons lourde ;
(iii) GW200220_061928 : une paire massive de trous noirs en orbite l’un autour de l’autre, avec une masse combinée 145 fois plus lourde que le Soleil ;
(iv) GW191204_171526 : une paire de trous noirs en orbite l’un autour de l’autre, dans laquelle au moins un des trous noirs tourne à la verticale ;
(v) GW191109_010717 : une paire de trous noirs en orbite l’un autour de l’autre qui ont une masse combinée 112 fois plus lourde que le Soleil, qui semble tourner à l’envers ;
(vi)GW191129_134029 : une paire de trous noirs “légers” qui pèsent ensemble seulement 18 fois la masse du Soleil.
“Chaque nouvelle série d’observations apporte de nouvelles découvertes et des surprises”, a déclaré Hannah Middleton, chercheuse postdoctorale à OzGrav et à l’Université de Melbourne.
“Le troisième run d’observation a vu la détection des ondes gravitationnelles devenir une chose quotidienne, mais je pense toujours que chaque détection est excitante !”.
“Il est fascinant de constater qu’il existe un tel éventail de propriétés au sein de cette collection croissante de paires de trous noirs et d’étoiles à neutrons”, a déclaré Isobel Romero-Shaw, doctorante à OzGrav et à l’Université Monash.
“Des propriétés comme les masses et les spins de ces paires peuvent nous indiquer comment elles se forment, donc voir un mélange aussi diversifié soulève des questions intéressantes sur leur origine.”
“L’examen des masses et des spins des trous noirs dans ces systèmes binaires indique comment ces systèmes se sont assemblés en premier lieu”, a déclaré le professeur Scott.
“Cela soulève également des questions vraiment fascinantes. Par exemple, le système s’est-il formé à l’origine avec deux étoiles qui ont traversé ensemble leur cycle de vie et sont finalement devenues des trous noirs ?”.
“Ou bien les deux trous noirs ont-ils été poussés ensemble dans un environnement dynamique très dense, comme au centre d’une galaxie ?”.
“L’amélioration continue de la sensibilité des détecteurs d’ondes gravitationnelles a contribué à l’augmentation du nombre de détections.”
“Cette nouvelle technologie nous permet d’observer plus d’ondes gravitationnelles que jamais auparavant.”
“Nous sondons également les deux régions d’écart de masse des trous noirs et fournissons davantage de tests de la théorie de la relativité générale d’Einstein.”
“L’autre aspect vraiment passionnant de l’amélioration constante de la sensibilité des détecteurs d’ondes gravitationnelles est que cela va ensuite mettre en jeu toute une nouvelle gamme de sources d’ondes gravitationnelles, dont certaines seront inattendues.”
L’article de l’équipe a été publié en ligne sur le site de la Commission européenne. arXiv.org preprint server.
