Seconde détection des ondes gravitationnelles engendrées par la fusion de deux trous noirs

Quatre mois seulement après l’annonce de la première détection d’ondes gravitationnelles, les mêmes physiciens annoncent qu’ils ont enregistré une autre rafale de ces ondulations insaisissables dans l’espace-temps, encore une fois provenant d’un couple (binaire) de trous noirs fusionnant, bien au-delà de notre galaxie. Faute de temps, votre Guru ne donnera pas autant de précision, notamment sur le fonctionnement des instruments utilisés, qu’il ne l’a fait pour la première détection. N’hésitez donc pas à consulter son précédent article sur le sujet !

Image d’entête une simulation de la fusion des trous noirs dont les ondes gravitationnelles en résultant ont été détectée. (CNRS)

La première détection d’ondes gravitationnelles, annoncée en grande pompe en février, a été déclenchée par un signal enregistré au niveau des détecteurs jumeaux du LIGO (Laser Interferometer Gravitational-wave Observatory) le 14 septembre de l’année dernière, ce dernier signal a déclenché les détecteurs le 26 décembre.

Nous savons maintenant que la première détection ne fut pas un coup de chance. Les chances que le précédent signal fut une fausse alerte étaient de l’ordre d’un million pour une. Pour les scientifiques, cela veut dire des détections régulières de trous noirs binaires dans les années à venir.

L’équipe LIGO a annoncé la découverte cette semaine lors d’une réunion de l’American Astronomical Society à San Diego.

Le document, qui examine les données recueillies par le LIGO de septembre 2015 à janvier 2016, fait également allusion à un troisième évènement d’ondes gravitationnelles, enregistrés en octobre dernier, bien qu’il soit encore incertain ( décrit seulement comme un « signal candidat, » et non nécessairement une “détection”).

Les trous noirs se forment lorsque des étoiles massives s’effondrent dans la phase finale de leur évolution. De temps en temps les trous noirs finissent en orbite autour d’autres trous noirs, leurs orbites diminuent progressivement à mesure que le système perd de l’énergie. Finalement, ils accélèrent et fusionnent, projetant dans le processus des ondes gravitationnelles à travers l’univers.

Jusqu’à cette année, elles étaient purement théoriques, une prédiction de la théorie générale de la relativité d’Einstein, publiée il y a 100 ans.

La NASA a créé cette visualisation de deux trous noirs fusionnant lorsque la découverte d’ondes gravitationnelles a été annoncée plus tôt cette année.

Les trous noirs, qui ont engendré le signal en décembre, sont plus petits que ceux qui sont responsables de l’évènement plus récent, dans ce cas, on estime leurs masses a environ 14 et environ 17,5 fois la masse du Soleil (dans le cas précédent, ils étaient de 29 et 36 fois plus massives que le Soleil). En raison de leur petite taille, ils ont pris plus de temps pour exécuter leurs orbites finales.

En conséquence, alors que le signal antérieur était un simple soubresaut, d’une durée d’environ un dixième de seconde, cet évènement a duré 1,5 seconde. Pendant ce temps, les deux étoiles ultra-denses, qui se sont tournées autour pendant peut-être 100 000 000 ans, ont exécuté leurs boucles finales, environ 30 orbites, avant de finalement fusionner.

Conversion en son du signal des ondes gravitationnelles détectées récemment :

Le résultat est un trou noir encore plus grand, mais pas autant qu’une simple addition des masses des deux trous noirs qui lui ont donné naissance. En effet, environ une masse solaire a été convertie en énergie, via la célèbre équation d’Einstein, E = mc2.

Un graphique présentant les masses de chacun des trous noirs avant et après leurs fusions et qui sont soupçonnées d’avoir créé les deux cas confirmés d’ondes gravitationnelles. Un troisième ensemble de trous noirs, représentés en pointillés, affiche un signal candidat non confirmé (LIGO)

L’ampleur de l’explosion dépasse l’imagination, l’équivalent de la masse du Soleil en énergie, dans une infime fraction de seconde. Elle aurait ainsi produit plus d’énergie que toutes les étoiles dans l’univers, les ondulations qu’elle déchaîna étaient presque infinitésimales au moment où elles ont atteint la Terre, après avoir voyagé à travers quelque 1,4 milliard d’années-lumière dans l’espace.

Pour l’instant, les scientifiques ne peuvent estimer de quelle direction ces signaux proviennent, cependant, leur capacité à “trianguler” les endroits s’améliorera grandement quand un autre détecteur d’ondes gravitationnelles, l’installation Virgo en Italie, sera incorporé dans le réseau de détecteurs, peut-être dès cet automne. L’Inde et le Japon ont également des détecteurs d’ondes gravitationnelles qui rentreront en fonction dans les années à venir.

Une représentation en trois dimensions de la Voie lactée affichant les emplacements probables des deux signaux confirmés et de celui non confirmé (en pointillés). (LIGO (Leo Singer) / Axel Mellinger)

Le LIGO a commencé à fonctionner en 2002, mais avec seulement une fraction de sa sensibilité actuelle. Les détecteurs, situés en Louisiane et dans l’État de Washington, ont été mis à jour l’automne dernier pour devenir « Advanced LIGO. » L’installation fonctionne toujours à seulement un tiers de sa sensibilité maximale.

Alors que les observations d’ondes gravitationnelles deviendront routinières, les physiciens vont pouvoir aborder certaines énigmes d’astrophysique et de cosmologie dont bon nombre impliquent les propriétés énigmatiques des trous noirs, comme : d’où proviennent les trous noirs ? Sont-ils nés petits,pour grandir ensuite ? Où y a-t-il des mécanismes qui peuvent produire des trous noirs de 30 ou 40 masses stellaires dès le départ ? Ou bien est-ce qu’ils grossissent en ‘’s’agglomérant les uns avec les autres ? Et bon nombre de questions auxquelles les astronomes et les astrophysiciens auront sans doute enfin la possibilité de répondre.

Leur article sera publié dans la revue Physical Review Letters : GW151226: Observation of Gravitational Waves from a 22-Solar-Mass Binary Black Hole Coalescence.