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Troisième détection d’ondes gravitationnelles

by Juanita Bawagan juin 28 / 17
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Cette représentation artistique illustre deux trous noirs en train de fusionner, comme ce qu’a détecté LIGO. (Caltech/MIT/Laboratoire LIGO)

On a comparé la première détection d’ondes gravitationnelles à l’ouverture d’une nouvelle fenêtre sur l’Univers. Avec la troisième détection, les scientifiques ont ouvert cette fenêtre encore plus grand et se sont plongés dans l’Univers encore plus profondément pour rehausser leur compréhension des trous noirs et de la gravité.

Les ondes gravitationnelles sont des ondes dans l’espace-temps créées par des objets massifs en accélération. À ce jour, toutes les détections ont été générées par la collision de deux trous noirs qui ont fusionné pour former un trou noir encore plus grand. La plus récente détection provient d’un trou noir binaire d’environ 49 masses solaires situé à trois milliards d’années-lumière.

Harald Pfeiffer, Boursier au sein du programme Cosmologie et gravité, est l’un des 1500 membres de la collaboration scientifique LIGO (Observatoire d’ondes gravitationnelles par interférométrie laser) qui a réalisé ces détections révolutionnaires. L’équipe de Pfeiffer composé de sept astrophysiciens de l’Université de Toronto a contribué aux plus récentes détections de LIGO dont on fait la description dans la revue Physical Review Letters.

Cela marque la troisième détection d’ondes gravitationnelles par LIGO en 18 mois et Pfeiffer s’attend à d’autres détections.

« Une collision de trous noirs binaires se produit quelque part dans l’Univers toutes les 15 minutes. Conséquemment, comme les détecteurs seront en marche plus longtemps et que leur sensibilité augmentera, nous pourrons observer une plus grande fraction de tous ces trous noirs qui fusionnent. En plus d’approfondir notre compréhension des propriétés et de l’origine de ces trous noirs, les détections nous permettront aussi de vérifier si la théorie de la gravité d’Einstein est la bonne », dit-il.

   

Cette animation illustre la coalescence et la fusion de deux trous noirs dont la masse et le spin correspondent à l’observation de GW170104. (SXS Collaboration/CITA)

Les théoriciens du programme Cosmologie et gravité s’intéressent tout particulièrement à la façon de recourir aux ondes gravitationnelles pour mettre à l’essai la relativité générale. La troisième détection – nommée GW170104 et réalisée le 4 janvier 2017 – était une candidate idéale en la matière. Comme GW170104 est si loin, les chercheurs ont pu mieux voir si les ondes gravitationnelles voyagent à la vitesse de la lumière indépendamment de leur fréquence, comme l’a prédit Einstein. Hypothétiquement, si les ondes hautes fréquences se déplacent plus rapidement, elles pourraient dépasser les ondes basses fréquences qui se produisent avant la collision des trous noirs. Les chercheurs n’ont observé aucune déviation de la vitesse des ondes détectées le 4 janvier 2017, et toutes les observations sont conséquentes avec les prédictions d’Einstein. 

De plus, LIGO a découvert des trous noirs dans une gamme de tailles jamais observées auparavant.

« Tous ces systèmes ont des masses différentes et cela vient appuyer le fait qu’il y a une grande variété de trous noirs de masse stellaire », note Pfeiffer.

Auparavant, tous les trous noirs connus étaient moins massifs ou au centre de galaxies comptant des millions et des milliards de masses solaires. Les trous noirs détectés par LIGO, qui mesurent entre 21 et 62 masses solaires, se trouvent dans une fourchette moyenne qui n’avait jamais été observée auparavant.

Pfeiffer dit que cela soulève bien des questions : « Comment expliquer la formation de ces trous noirs, et quels étaient les autres environnements et circonstances près des étoiles à l’origine de ces trous noirs? » Ces questions sont au cœur de ses recherches depuis vingt ans et il espère que LIGO y trouvera un jour réponse.

GW170104 offre de nouveaux indices. Des détails sur les états de rotation de trous noirs dans un système binaire donnent des indices sur la formation de trous noirs binaires. Si le trou noir binaire est issu de deux étoiles en orbite qui sont devenues une supernova et ensuite un trou noir, alors leur axe de rotation devrait être parallèle. Par opposition, si les trous noirs se sont formés individuellement et se sont ensuite trouvés, alors la rotation devrait être aléatoire. Ce système donne quelques indices voulant que le spin des trous noirs se trouve dans une orientation aléatoire. Toutefois, pour être certain, il faut plus de données.  

D’autres détections d’ondes gravitationnelles et d’améliorations technologiques ouvriront encore plus grand la fenêtre LIGO sur l’Univers. Pfeiffer espère voir plus de trous noirs, mais il est aussi emballé par ce que LIGO pourrait voir d’autres.

« Avant tout, les gens espèrent détecter la collision de deux étoiles à neutrons, ou d’un trou noir et d’une étoile à neutrons… ou même de choses très différentes, car toutes ces sources peuvent approfondir notre compréhension des objets très compacts ayant une forte gravité », dit-il.