Troisième détection des ondes laissées sur la toile de l’espace-temps par deux trous noirs fusionnants

Le Laser Interferometer Gravitational-wave Observatory (LIGO) a de nouveau détecté des ondes gravitationnelles provenant d’une collision cosmique entre deux trous noirs et cette fois, la paire était à environ 3 milliards d’années-lumière.

C’est la troisième fois que l’observatoire réussit à mesurer ce type d’événement, mais  cette collision est un peu différente, l’un des trous noirs semble tourner dans la mauvaise direction.

Pour le rappel, le premier grand succès du LIGO a été annoncé en février 2016, après un délai prudent de cinq mois faisant suite à la première observation des ondes théoriques dans l’espace-temps prédites par la relativité générale. Un deuxième ensemble d’ondes a également été détecté le jour de Noël 2015. Les chercheurs ont maintenant confirmé qu’une troisième fusion de trous noirs a été détectée le 4 janvier 2017, ce qui lui a valu la désignation de GW170104.

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)

La première collision a abouti à un seul trou noir avec une masse d’environ 62 fois celle de notre Soleil, tandis que la seconde a donné un trou noir plus léger en comparaison, de seulement 21 masses solaires. Le trou noir crée par cette dernière fusion détectée remplie un espace entre les deux premiers, soit 49 fois la masse de notre Soleil.

Infographie présentant les masses approximatives et les distances de trois premières sources d’ondes gravitationnelles découvertes par LIGO.

Selon David Shoemaker du MIT, porte-parole du LIGO Scientific Collaboration :

Nous avons une confirmation supplémentaire de l’existence de trous noirs de masse stellaire plus large que 20 masses solaires, ce sont des objets que nous ne savions qu’ils existaient avant que LIGO les ait détectés.

Mais GW170104 est un peu différent. Bien qu’il puisse être difficile à imaginer, les trous noirs peuvent tourner. Et ce n’est pas seulement le disque surchauffé de matière qui tourbillonne autour de lui, la masse réelle a un moment angulaire, ce qui signifie que le trou noir lui-même tourne sur son axe.

Lorsque deux trous noirs tournent dans la même direction alors qu’ils s’orbitent l’un autour de l’autre, les astronomes disent qu’ils sont “alignés”. L’alignement des spins peut avoir un effet sur la forme d’onde des ondes gravitationnelles provenant du système de trous noirs binaires, alors les astronomes peuvent préciser si les spins sont alignés ou non.

Représentation de 2 trous noirs se tournant autour et les ondes gravitationnelle qu’ils génèrent avant leur fusion. (LIGO/T. Pyle)

Simulation de la toute dernière détection (S. Ossokine/ A. Buonanno/T. Dietrich (MPI for Gravitational Physics)/R. Haas (NCSA)/SXS project)

Et il s’avère que l’un des trous noirs de GW170104 n’était pas aligné. Cela a fourni aux astronomes un indice important sur la façon dont les trous noirs peuvent se combiner pour former un système binaire.

Deux modèles suggèrent qu’ils commencent soit comme des étoiles déjà en orbite l’une autour de l’autre avant de se transformer en trous noirs, qui continuent leur danse, ou ce sont deux trous noirs lointains qui tombent l’un vers l’autre avant de se mettre en orbite.

Avec cette observation d’un trou noir tournant dans la direction opposée à son orbite, les astronomes ont maintenant la preuve qu’ils se regroupent après l’établissement de leurs rotations.

Comme vous pouvez l’imaginer, cette collision de trous noirs est l’un des événements les plus puissants de l’Univers, avec la première fusion détectée par le LIGO libérant dans sa dernière seconde 10 fois plus d’énergie que la quantité d’énergie lumineuse affichée par chaque étoile dans l’univers.

Pourtant, à une distance de 1,3 milliard d’années-lumière, au moment où ces ondes ont traversé la Terre, elles avaient déformé l’espace d’une distance d’environ un proton.

Cette dernière fusion de trou noir détectée était plus petite et deux fois plus éloignée, et encore détectable par le LIGO qui n’est pas encore en pleine possession de toutes ses capacités. L’amélioration de sa sensibilité pourrait éventuellement permettre de passer à l’étude de phénomènes astronomiques moins énergiques (mais toujours énormes), tels que les collisions d’étoiles à neutrons jusqu’à environ 650 millions d’années-lumière de distance. Même le bourdonnement gravitationnel d’une étoile à neutrons pourrait théoriquement être détectable une fois que LIGO sera à son potentiel maximum.

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

Avec la masse d’une étoile contenue dans un rayon d’environ 10 kilomètres, et des centaines de rotations par seconde, même une bosse de seulement 10 centimètres de haut pourrait suffire à diffuser des ondes gravitationnelles détectables dans l’Univers.

Chaque nouvel événement détecté donne également aux physiciens une possibilité de  tester un peu plus la relativité générale. A la suite de cette troisième observation, la théorie d’Einstein reste forte.

Il y a peu de doute que les observatoires d’onde gravitationnelle ont déjà fait leurs preuves, et nous les utiliserons désormais pour éclairer les profondeurs de l’Univers.

L’étude publiée dans Physical Review Letters : GW170104: Observation of a 50-Solar-Mass Binary Black Hole Coalescence at Redshift 0.2.