Détection de la plus puissante et de la plus lointaine des collision de deux trous noirs

À des milliards d’années-lumière de distance, deux trous noirs se sont percutés pour en créer un plus grand, la plus grande fusion de trous noirs jamais détectée. Sa masse est plus de 80 fois supérieure à celle du soleil (masses solaires).

L’énergie ainsi injectée dans le tissu de l’espace-temps a également battu tous les records, avec 5 masses solaires libérées sous forme d’ondes gravitationnelles lorsque les deux trous se sont rapprochés l’un de l’autre.

Image d’entête : représentation artistique d’ondes gravitationnelles, des ondulations dans l’espace-temps causées par des événements massifs tels que cette interprétation d’une paire d’étoiles à neutrons fusionnants. (Carl Knox/ Centre of Excellence for Gravitational Wave Discovery)

De telles quantités titanesques d’énergie signifiaient que le signal était encore détectable au moment où il atteignait les détecteurs d’ondes gravitationnelles sur Terre. Il a produit un résultat sans précédent, la collision la plus lointaine détectée à ce jour, à 9 milliards d’années-lumière de distance.

Représentation artistique de deux trous noirs sur le point de fusionner. (LIGO/ Caltech/ MIT/ Aurore Simonnet)

Selon Susan Scott, de l’Université nationale australienne, chercheuse en chef au Centre of Excellence for Gravitational Wave Discovery (OzGrav) :

Cet événement a également révélé les trous noirs les plus rapides de toutes les fusions observées jusqu’à présent. C’est aussi de loin la fusion la plus lointaine observée.

Chacun de ces trous noirs s’est formé à partir d’énormes étoiles qui sont mortes dans de violentes explosions appelées supernovae. En les étudiant, les astronomes agissent comme des archéologues de trous noirs pour apprendre comment ces géants cosmiques meurent.

Une description de l’événement, ainsi que 3 autres collisions de trous noirs distinctes et plus petites, a été publiée dans le cadre d’une série de détections par l’Advanced Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (aLIGO) aux États-Unis et l’Advanced Virgo Facility en Italie.

Le aLIGO est en fait deux détecteurs, de part et d’autre du continent américain, et sont essentiellement des règles hyper précises. Les trois détecteurs d’ondes gravitationnelles envoient des faisceaux laser d’avant en arrière le long de longs bras en parfaite antiphase, ce qui signifie qu’ils s’annulent l’un l’autre.

Schéma du dispositif expérimental LIGO (LIGO)

 

 

La partie du Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory  (LIGO) se trouvant à Hanford (Caltech).

Cependant, si la longueur d’un laser augmente légèrement par rapport à l’autre, disons par l’étirement de l’espace-temps lors du passage des ondes gravitationnelles, elles ne s’annulent pas parfaitement et il reste une petite tache de lumière.

Les ondes gravitationnelles en passant à travers un objet massif le déforment, l’étirant et le compressant dans le sens du déplacement de la vague, laissant un témoin, bien que minuscule, de l’effet.

Cette lumière clignote au fur et à mesure que l’onde gravitationnelle qui passe crée le signal caractéristique de « pépiements » qui apparaît lorsque les trous noirs s’enroulent de plus en plus rapidement vers l’impact.

Une simulation de deux trous noirs pris dans leur orbite mutuelle et les ondes gravitationnelles qu’ils produiraient. (S. Shapiro/ R. Gold/ V. Paschalidis/ M. Ruiz)

Les quatre nouvelles fusions de trous noirs confirmées ont été trouvées dans des séries d’observations archivées à partir de 2017, à la suite d’un dépouillement des données.

Après l’explosion, les étoiles peuvent former deux types de rémanents (vestiges) : des trous noirs plus massifs et des étoiles à neutrons moins massives. Dans ce graphique, les deux types de restes sont affichés par masse, y compris les objets individuels détectés seuls et les ingrédients et les résultats de chacune des 11 observations gravitationnelles effectuées à ce jour. (LIGO-Virgo/ Frank Elavsky/ Northwestern)

Cela porte à 10 le nombre total de fusions détectées au cours des trois dernières années, plus une collision entre deux étoiles à neutrons.

GIF présentant une séquence d’une simulation de la fusion de deux étoiles à neutrons et le sursaut de rayons gamma en résultant, (NASA)

L’information récoltée par l’intermédiaire de ces trous noirs binaires permet d’en savoir un peu plus sur cette population, comme la fréquence à laquelle ils fusionnent dans l’univers.

Calculs informatiques modélisant les ondes gravitationnelles que LIGO a observées à ce jour et les trous noirs qui ont émis les ondes.

Depuis ces détections, le aLIGO est arrêté temporairement pour des mises à jour. Lorsqu’il rouvrira, il aura un niveau de sensibilité significativement plus élevé.

Les chercheurs espèrent qu’il en résultera encore plus de détections d’ondes gravitationnelles. Ils espèrent aussi que cela mènera à la découverte de la combinaison restante : une collision trou noir-étoile à neutrons. Celle-ci serait détectable à la fois par les observatoires d’ondes gravitationnelles et par les télescopes, ce qui permettrait de tester la théorie de la relativité générale d’Einstein et d’explorer certains des événements les plus énergétiques de l’univers visible.

Le détail de ces détection publiés (PDF) sur le site du LIGO : Binary Black Hole Population Properties Inferred from the First and Second Observing Runs of Advanced LIGO and Advanced Virgo et GWTC-1: A Gravitational-Wave Transient Catalog of Compact Binary Mergers Observed by LIGO and Virgo during the First and Second Observing Runs et présenté sur le site du Max Planck Institute for Gravitational Physics : LIGO and Virgo announce four new gravitational-wave detections et de l’OzGrav :  GRAVITATIONAL WAVES UNVEIL COSMIC CATACLYSM THAT SPARKS ASTRONOMICAL GOLD RUSH.