L’astronomie des ondes gravitationnelles se développe. Ces ondulations dans le tissu de l’espace-temps sont créées par des masses accélérées, qui se déplacent ensuite vers l’extérieur depuis leur origine à la vitesse de la lumière. Alors que tout ce qui a une masse peut produire une onde gravitationnelle (GW), seuls les événements les plus importants sont actuellement détectables : soit la collision de deux trous noirs, soit la collision de deux étoiles à neutrons, soit une combinaison des deux.
Les premières GW ont été détectées en 2015 par le Laser Interferometer Gravitational-wave Observatory (LIGO), lorsque deux trous noirs situés à environ 1,3 milliard d’années-lumière se sont percutés. LIGO se compose de deux interféromètres – un en Louisiane, un dans l’État de Washington – qui sont des tunnels à vide en forme de L d’environ 2,5 miles de long de chaque côté. Un laser est tiré du nœud du L vers des miroirs à l’extrémité de chaque côté, et si l’un de ces faisceaux laser arrive légèrement en retard, le faisceau en retard est enregistré par le détecteur. Les détecteurs sont suffisamment sensibles pour capter également les bruits à proximité sur Terre, tels que le passage de camions et la chute d’arbres. Ces événements peuvent masquer
ou imiter les signaux d’ondes gravitationnelles, donc avoir deux détecteurs éloignés aide les scientifiques à distinguer les vraies vibrations GW des fausses alarmes.
Le véritable détecteur qui a repéré la première onde gravitationnelle se trouve maintenant au Musée du prix Nobel à Stockholm, en Suède, car le prix Nobel de physique 2017 a été décerné pour cette découverte. Mais LIGO ne s’est pas arrêté là : quelques mois plus tard, en collaboration avec le nouvel interféromètre Virgo en Italie, LIGO a détecté un autre événement d’onde gravitationnelle, cette fois produit par la collision d’étoiles à neutrons. La découverte correspondait également à un court sursaut gamma et à la découverte ultérieure du site de fusion avec des télescopes optiques. Cependant, quelques jours après cette découverte capitale, LIGO s’est déconnecté pour les mises à niveau planifiées.
Les détecteurs se sont rallumés le 1er avril 2019, pour une nouvelle campagne d’observation, baptisée O3, très attendue par la communauté astronomique. De nouvelles mises à niveau signifiaient que LIGO pouvait repérer les GW encore plus loin dans l’espace au cours de son année, et travailler en collaboration avec Virgo signifiait une précision encore plus grande sur l’endroit où dans l’espace la fusion détectée s’est produite. Que découvrirait LIGO cette fois ?
Alena Ananyeva, membre de l’équipe LIGO, travaille sur des mises à niveau matérielles avant la troisième manche de LIGO. (Crédit : LIGO/CalTech/MIT/Matt Heintze)
Détection d’événements astronomiques
Les données de la première moitié d’O3 ont été publiées, et il est clair qu’avec O3, LIGO est entré dans une nouvelle phase. “Nous sommes passés de la phase de découverte des événements GW à la transition vers la routine”, explique Samaya Nissanke, astrophysicienne à l’Université d’Amsterdam et membre de la collaboration LIGO. Les cycles d’observation avant O3 n’ont détecté que 11 événements GW ; la course O3 en a détecté plusieurs dizaines. Presque du jour au lendemain, la découverte de gigantesques trous noirs s’entrechoquant à des millions d’années-lumière de nous est devenue presque routinière.
De plus, pour chaque nouvelle détection, LIGO envoyait des alertes en temps réel, comme le font régulièrement les observatoires pour les événements astronomiques nécessitant un suivi rapide. Ces alertes ont été distribuées automatiquement lorsque le détecteur Virgo et les détecteurs Louisiana et Washington LIGO ont vu ce qui ressemblait à un signal GW en même temps. L’alerte comprenait également une carte du ciel indiquant d’où pouvait provenir le signal, appelée localisation. Une fois émis, ces messages ont été distribués via des alertes automatiques aux astronomes, des applications et même le fil Twitter LIGO. Bien que les alertes aient d’abord été parsemées d’événements attribués par la suite à des interférences locales sur Terre – “Ce fut un début un peu difficile”, admet Nissanke – une fois les problèmes lissés, les astronomes pouvaient passer au peigne fin le ciel presque instantanément pour toute faible lueur détectée d’une fusion GW. Des plans sont en cours pour appliquer des algorithmes automatiques et des techniques d’apprentissage automatique afin de rendre les alertes plus précises à l’avenir.
Cependant, au fur et à mesure que les détections d’O3 vérifiées progressaient, il était clair que LIGO augmentait son échantillon de trous noirs à un rythme rapide. “Nous avons vu doubler notre nombre de détections de trous noirs, et avec cette augmentation, nous avons une bien meilleure idée de la population là-bas”, explique Lionel London, astrophysicien au MIT spécialisé dans la modélisation des signatures GW de trous noirs dans LIGO. Un exemple notable, appelé GW190814 (parce qu’il a été détecté le 14 août 2019), était passionnant car il s’agissait soit de l’étoile à neutrons la plus lourde, soit du trou noir le plus léger jamais découvert.
Auparavant, les astronomes avaient noté que les étoiles à neutrons les plus lourdes connues avaient environ deux fois la masse du soleil et que le plus petit trou noir connu avait trois fois la masse du soleil. Cet «écart de masse», comme on l’appelle, a intrigué les scientifiques – y avait-il une raison physique à cela, ou n’avions-nous tout simplement rien trouvé pour combler cet écart? GW190814 est l’un des premiers résidents à l’avoir rempli : l’un des deux composants faisait environ 2,6 fois la masse du soleil. Le jury ne sait toujours pas ce qu’était exactement l’objet, mais il est clair que c’était quelque chose d’inhabituel et qu’il a rencontré sa fin en fusionnant avec un trou noir de 23 fois la masse de notre propre soleil. Ensemble, les deux ont formé un trou noir près de 26 fois plus massif que le soleil – plus grand qu’un trou noir créé par une étoile mourante, par exemple – à environ 800 millions d’années-lumière de la Terre.
Ce graphique montre les masses de toutes les détections d’ondes gravitationnelles annoncées par LIGO, ainsi que les trous noirs et les étoiles à neutrons précédemment obtenus par des observations électromagnétiques. (Crédit : LIGO-Virgo-Kagra/Aaron Geller/Northwestern)
Les découvertes scientifiques sont également venues des alertes de détection en temps réel. Le plus notable a été la découverte possible de la lumière de deux trous noirs en collision signalés par le Zwicky Transient Facility (ZTF) à Caltech, la première fois qu’une telle détection a été revendiquée. Les trous noirs sont réputés si denses que la lumière ne peut pas leur échapper, et la fusion de deux trous noirs ne devrait pas non plus émettre de lumière dans des circonstances normales. Dans ce cas, cependant, l’équipe soutient qu’un éclair de lumière observé par ZTF correspond à un événement GW le 21 mai 2019, lorsque deux trous noirs ont fusionné. Selon les chercheurs, le moment cinétique de la fusion elle-même aurait conduit à une interaction avec le gaz environnant. C’est cette interaction qui aurait pu, à son tour, donner l’éclair soudain qu’ils ont observé.
Au-delà des événements individuels, cependant, un catalogue des détections de trous noirs est inestimable pour tester notre compréhension de la physique elle-même. Chaque partie d’une détection GW est composée de plusieurs composants, dont l’inspiration des deux objets, la collision elle-même et la réplique réverbérante de la fusion. La physique extrême pendant ces moments fournit un nouveau foyer pour tester les théories relatives à la gravité, allant de la relativité générale à la mystérieuse énergie noire entraînant l’expansion de l’univers. “En termes d’interprétation théorique, ce sont vraiment les premiers jours”, explique London. “Certains des tests sont vraiment rudimentaires.” Cependant, une fois que l’échantillon d’événements s’agrandit et que les signatures sont mieux comprises, les scientifiques peuvent utiliser les statistiques pour sonder la physique de manière entièrement nouvelle.
Malheureusement, la course O3 a été interrompue en mars 2020 par la pandémie de coronavirus. Les scientifiques de GW sont cependant convaincus que la prochaine exécution, O4, sera encore plus excitante lorsqu’elle commencera en décembre 2022. Non seulement ils scruteront plus loin dans l’espace qu’auparavant, mais en 2020, un nouveau détecteur GW, le Kamioka Gravitational Wave Detector (KAGRA), est entré en ligne au Japon. Travaillant en tandem avec les instruments LIGO et Virgo, KAGRA permettra des estimations encore plus précises de l’origine des GW. En regardant encore plus loin, LIGO-India est actuellement en préparation et devrait commencer les observations en 2026. Quand ce sera le cas, la capacité de déterminer d’où vient une onde gravitationnelle dans le ciel sera nettement meilleure que là où elle se trouve actuellement. Cela permettra aux astronomes d’identifier les emplacements des collisions cosmiques mieux que jamais.
“Nous ouvrons le zoo des trous noirs formés astrophysiquement”, observe Nissanke, “et c’est excitant de voir ce qu’il y a là-bas.”
