Vue d’artiste d’une étoile à neutrons et d’un trou noir sur le point de fusionner. Crédit : Carl Knox, OzGrav/Swinburne
Le plus grand catalogue d’événements d’ondes gravitationnelles jamais rassemblé a été publié par une collaboration internationale qui comprend des chercheurs de Penn State. Les ondes gravitationnelles sont des ondulations dans l’espace-temps produites comme répliques d’énormes événements astronomiques, tels que la collision de deux trous noirs. À l’aide d’un réseau mondial de détecteurs, l’équipe de recherche a identifié 35 événements d’ondes gravitationnelles, portant le nombre total d’événements observés à 90 depuis le début des efforts de détection en 2015.
Les nouveaux événements d’ondes gravitationnelles ont été observés entre novembre 2019 et mars 2020, à l’aide de trois détecteurs internationaux : les deux Advanced Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO) en Louisiane et dans l’État de Washington aux États-Unis et le détecteur Advanced Virgo en Italie. Les données de ces trois détecteurs ont été soigneusement analysées par une équipe de scientifiques de la collaboration scientifique LIGO, de la collaboration Virgo et de la collaboration KAGRA. Le catalogue des nouveaux événements de la seconde moitié de la troisième campagne d’observation de LIGO est décrit dans un nouvel article.
« Dans le troisième cycle d’observation de LIGO et Virgo, nous avons commencé à détecter les types les plus insaisissables d’événements d’ondes gravitationnelles », a déclaré Debnandini Mukherjee, chercheur postdoctoral à Penn State et membre de la collaboration LIGO. « Cela a inclus des trous noirs de masse lourde, des binaires de rapport de masse plus extrêmes et étoile à neutrons–trou noir coalescences détectées avec une plus grande confiance. Nous sommes dans une ère passionnante où de telles observations ont commencé à remettre en question l’astrophysique conventionnellement connue et ont commencé à contribuer à une meilleure compréhension des formations de tels objets.
Nouvelles détections
Sur les 35 événements détectés, 32 étaient les plus susceptibles d’être des fusions de trous noirs – deux trous noirs s’enroulant l’un autour de l’autre et se rejoignant finalement, un événement qui émet une rafale de ondes gravitationnelles.
Les trous noirs impliqués dans ces fusions ont une gamme de tailles, dont la plus massive est d’environ 90 fois la masse de notre soleil. Plusieurs des trous noirs résultants de ces fusions dépassent 100 fois la masse de notre soleil et sont classés comme des trous noirs de masse intermédiaire. Il s’agit de la première observation de ce type de trou noir, longtemps théorisé par les astrophysiciens.
Deux des 35 événements étaient probablement des fusions d’étoiles à neutrons avec des trous noirs – un type d’événement beaucoup plus rare et qui a été découvert pour la première fois lors de la dernière période d’observation de LIGO et Virgo. L’une de ces fusions nouvellement détectées semble montrer un trou noir massif d’environ 33 fois la masse de notre soleil entrant en collision avec une étoile à neutrons de très faible masse, environ 1,17 fois la masse de notre soleil. C’est l’une des étoiles à neutrons de masse la plus faible jamais détectée, en utilisant des ondes gravitationnelles ou des observations électromagnétiques.
Les masses de trous noirs et d’étoiles à neutrons sont des indices clés sur la façon dont les étoiles massives vivent et meurent finalement dans les explosions de supernova.
« Dans cette dernière mise à jour du catalogue, nous avons enfin pu observer des fusions de trous noirs avec des étoiles à neutrons, que nous n’avons trouvées dans aucune des précédentes séquences d’observation », a déclaré Becca Ewing, diplômée de Penn State et membre de Le groupe LIGO de Penn State. « À chaque nouvelle série d’observations, nous trouvons des signaux avec des propriétés nouvelles et différentes, élargissant notre compréhension de l’apparence et du comportement de ces systèmes. De cette façon, nous pouvons commencer à améliorer de plus en plus notre compréhension de l’univers à chaque nouvelle observation. »
Au cours de la seconde moitié de la troisième période d’observation LIGO, une équipe internationale de chercheurs comprenant des scientifiques de Penn State a observé 35 nouveaux événements cosmiques qui ont produit des ondes gravitationnelles – des ondulations dans l’espace-temps. Ces événements incluent des collisions de trous noirs et même celles de trous noirs avec des étoiles à neutrons. Chaque ligne de ce graphique correspond à une fusion binaire compacte, comprenant les deux objets de fusion et le reste de fusion final. Les trous noirs sont représentés en bleu, les étoiles à neutrons en orange et les objets compacts de nature incertaine en gris. Crédit : Aaron M. Geller, Northwestern University et Frank Elavsky, LIGO-Virgo
L’événement d’onde gravitationnelle final est venu de la fusion d’un trou noir avec une masse d’environ 24 fois la masse de notre soleil avec un trou noir très léger ou une étoile à neutrons très lourde d’environ 2,8 fois la masse de notre soleil. L’équipe de recherche a déduit qu’il s’agissait très probablement d’un trou noir, mais ne peut en être entièrement sûr. Un événement ambigu similaire a été découvert par LIGO et Virgo en août 2019. La masse de l’objet plus léger est déroutante, car les scientifiques s’attendent à ce qu’une étoile à neutrons la plus massive puisse être avant de s’effondrer pour former un trou noir soit environ 2,5 fois la masse de notre soleil. Cependant, aucun trou noir n’avait été découvert avec des observations électromagnétiques avec des masses inférieures à environ 5 masses solaires. Cela a conduit les scientifiques à théoriser que les étoiles ne s’effondrent pas pour former des trous noirs dans cette gamme. Les nouvelles observations d’ondes gravitationnelles indiquent que ces théories pourraient devoir être révisées.
Progrès monumental
Depuis la première détection d’ondes gravitationnelles en 2015, le nombre de détections a augmenté à un rythme fulgurant. En quelques années, les scientifiques des ondes gravitationnelles sont passés de l’observation de ces vibrations dans le tissu de l’univers pour la première fois à l’observation de nombreux événements chaque mois, et même de plusieurs événements le même jour. Au cours de cette troisième période d’observation, les détecteurs d’ondes gravitationnelles ont atteint leurs meilleures performances grâce à un programme de mises à niveau et de maintenance constants pour améliorer les performances des instruments pionniers.
À mesure que le taux de détection d’ondes gravitationnelles augmente, les scientifiques ont également amélioré leurs techniques d’analyse pour garantir la haute précision de résultats. Le catalogue croissant d’observations permettra aux astrophysiciens d’étudier les propriétés des trous noirs et des étoiles à neutrons avec une précision sans précédent.
Dans une autre avancée significative dans cette récente course, quelques minutes après les détections initiales d’ondes gravitationnelles, les astronomes ont lancé un appel à d’autres observatoires et détecteurs à travers le monde. Ce réseau de détecteurs de neutrinos et d’observatoires électromagnétiques s’est concentré sur la zone du ciel d’où provenaient les ondes, pour tenter d’identifier l’événement source. Les événements cosmiques qui produisent des ondes gravitationnelles peuvent également produire des neutrinos et des émissions électromagnétiques qui, s’ils sont détectés, peuvent fournir des informations supplémentaires sur l’événement cosmique. Cependant, aucune des ondes gravitationnelles récemment annoncées n’a d’équivalent signalé.
“La communication rapide avec d’autres observatoires est essentielle pour détecter les homologues et contribuer à l’astronomie multi-messagers”, a déclaré Bryce Cousins, chercheur adjoint à Penn State et membre de la collaboration LIGO. « En étudiant un événement cosmique via plusieurs signaux, nous pouvons non seulement en apprendre davantage sur les propriétés spécifiques des trous noirs et des étoiles à neutrons, mais également étudier des domaines plus larges de l’astrophysique, tels que l’évolution stellaire et l’expansion de l’univers. Les systèmes d’alerte et les réseaux d’observatoires établis au cours de cette opération d’observation seront essentiels pour détecter les homologues dont nous avons besoin pour mieux comprendre ces sujets lors des futures opérations d’observation.
Pour la prochaine campagne d’observation complète, qui devrait commencer l’été prochain, l’observatoire KAGRA au Japon se joindra également à la recherche. Situé au fond d’une montagne, KAGRA a réalisé une première opération d’observation réussie en 2020, mais n’a pas encore rejoint LIGO et Virgo pour effectuer des observations conjointes. Avec plus de détecteurs, les événements potentiels peuvent être localisés avec plus de précision.
« KAGRA se joignant au réseau de détecteurs peut contribuer à améliorer la zone de localisation du ciel des sources candidates d’ondes gravitationnelles d’environ un facteur deux, ce qui peut alors profiter aux détections d’homologues, car il est crucial pour les télescopes de connaître les emplacements précis des sources dans le ciel. observations », a déclaré Shio Sakon, étudiant diplômé à Penn State et membre de la collaboration LIGO. « Avec les développements du pipeline de détection, les mises à niveau de LIGO et de VIRGO et la participation de KAGRA au réseau de détecteurs, nous prévoyons de détecter et d’analyser les événements candidats d’ondes gravitationnelles plus fréquemment que jamais, et l’envoi d’alertes publiques de haute qualité à faible latence être vital pour l’avancement de l’astronomie multi-messagers.
Référence : « GWTC-3 : Coalescences binaires compactes observées par LIGO et Virgo pendant la deuxième partie de la troisième opération d’observation » par la collaboration scientifique LIGO, la collaboration Virgo et la collaboration KAGRA, 5 novembre 2021, Relativité générale et cosmologie quantique.
arXiv:2111.03606
A propos des observatoires d’ondes gravitationnelles :
Ce matériel est basé sur des travaux soutenus par le laboratoire LIGO de la National Science Foundation, qui est une installation majeure financée par la NSF. LIGO est exploité par Caltech et AVEC, qui a conçu LIGO et dirigé le projet de détecteur Advanced LIGO. Le soutien financier du projet Advanced LIGO provenait principalement de la NSF, l’Allemagne (Max Planck Society), le Royaume-Uni (Science and Technology Facilities Council) et l’Australie (Australian Research Council-OzGrav) ayant pris des engagements et des contributions importants au projet. Environ 1 400 scientifiques du monde entier participent à l’effort d’analyse des données et de développement de conceptions de détecteurs par le biais de la collaboration scientifique LIGO, qui comprend la collaboration GEO.
La collaboration Virgo est actuellement composée d’environ 650 membres de 119 institutions dans 14 pays différents, dont la Belgique, la France, l’Allemagne, la Hongrie, l’Italie, les Pays-Bas, la Pologne et l’Espagne. L’Observatoire gravitationnel européen (EGO) héberge le détecteur Virgo près de Pise en Italie et est financé par le Centre national de la recherche scientifique (CNRS) en France, l’Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (INFN) en Italie et Nikhef aux Pays-Bas.
Le détecteur KAGRA est situé à Kamioka, Gifu, Japon. L’institut hôte est l’Institut de recherches sur les rayons cosmiques (ICRR) de l’Université de Tokyo, et le projet est co-organisé par l’Observatoire national d’astronomie du Japon (NAOJ) et l’Organisation de recherche sur les accélérateurs de haute énergie (KEK). KAGRA a achevé sa construction en 2019 et a ensuite rejoint le réseau international d’ondes gravitationnelles LIGO et Virgo. La prise de données réelle a commencé en février 2020 lors de la dernière étape de la course appelée « O3b ». La collaboration KAGRA est composée de plus de 470 membres de 11 pays/régions.
