50 détections d’ondes gravitationnelles pour mieux comprendre l’Univers

Avec la première détection d’ondes gravitationnelles en 2015 résultant de la fusion de deux trous noirs, l’astrophysique est entrée dans une nouvelle ère d’observation. Les interféromètres LIGO et Virgo se sont perfectionnés au point d’avoir détecté, en cinq ans, une cinquantaine d’événements impliquant des ondes gravitationnelles. Ce constat, provenant d’une analyse de données approfondie réalisée par une équipe d’astrophysiciens américains, a également révélé plusieurs informations importantes sur la distribution des masses des trous noirs impliqués, ainsi que sur leur rotation et la fréquence à laquelle ils fusionnent.

Les astronomes ont observé 39 événements cosmiques qui ont libéré des ondes gravitationnelles (OG) sur une période de 6 mois en 2019 — un taux de plus d’un par semaine. L’étude, décrite dans une série d’articles publiés dans la revue Nature, montre comment les observatoires qui détectent ces ondulations ont considérablement amélioré leur sensibilité depuis la première détection d’OG en 2015. L’ensemble de données croissant aide les astronomes à cartographier la fréquence à laquelle de tels événements se sont produits dans l’histoire de l’Univers.

Les ondes gravitationnelles sont des ondulations dans le tissu de l’espace-temps générées par des masses en accélération, en particulier lorsque deux objets massifs orbitent l’un autour de l’autre et fusionnent. Leurs propriétés détaillées fournissent de nombreux tests de la théorie de la relativité générale d’Albert Einstein, y compris certaines des preuves les plus solides à ce jour de l’existence des trous noirs. Et grâce aux ondes gravitationnelles, les astronomes ont acquis une nouvelle façon d’observer le cosmos, à côté des ondes électromagnétiques et des rayons cosmiques.

Une cinquantaine d’événements gravitationnels au palmarès de LIGO et Virgo

La dernière publication de données décrit les événements observés au cours de la moitié de la troisième série d’observations de l’interféromètre laser (LIGO) — une paire de détecteurs jumeaux basés à Hanford, Washington et Livingston, en Louisiane — et son homologue européen Virgo, près de Pise. Il s’agit du deuxième catalogue d’événements de la collaboration, après celui publié en décembre 2018 décrivant leurs 11 premières détections. Au total, le réseau d’observation a maintenant observé 50 événements d’ondes gravitationnelles.

La plupart des événements sont des fusions de deux trous noirs. Les détecteurs ont également révélé une poignée de collisions entre deux étoiles à neutrons et au moins une fusion d’une étoile à neutrons et d’un trou noir. Les fusions qui impliquent des étoiles à neutrons sont particulièrement intéressantes pour les astrophysiciens, car elles devraient libérer de la lumière ordinaire ainsi que des ondes gravitationnelles, ce qui a été confirmé lors d’une fusion d’étoiles à neutrons observée en août 2017.

Une découverte surprenante concerne les masses des trous noirs impliqués dans les fusions. Les astrophysiciens s’attendaient à une limite nette, aucun trou noir ne faisant plus de 45 fois la masse du Soleil. « Maintenant, nous constatons que ce n’est pas si net », déclare Maya Fishbach, chercheuse à LIGO et à l’université Northwestern. Le catalogue comprend trois événements avec des masses aberrantes, dont un annoncé en septembre avec un trou noir de 85 masses solaires.

Masses, rotation et fréquence de fusion : des informations importantes sur les trous noirs

La richesse des données a permis aux chercheurs de LIGO-Virgo d’estimer approximativement la vitesse à laquelle les fusions de trous noirs se produisent dans une galaxie moyenne. Ce taux semble avoir culminé il y a environ huit milliards d’années, après une période au cours de laquelle des étoiles se formaient — et certaines se transformaient plus tard en trous noirs — à un rythme particulièrement élevé.

Le catalogue fournit également des informations sur la rotation des trous noirs, ce qui permet de comprendre comment les objets se sont mis en orbite avant de fusionner. Il montre que, dans certains systèmes binaires, les deux trous noirs ont des axes de rotation désalignés, ce qui impliquerait qu’ils se sont formés séparément.

Mais de nombreux autres binaires semblent avoir des axes de rotation à peu près alignés, ce à quoi les astrophysiciens s’attendent lorsque les deux trous noirs ont commencé leur vie en tant que système stellaire binaire. Deux écoles de pensée en astrophysique ont chacune favorisé l’un des deux scénarios, mais il semble maintenant que les deux étaient corrects, conclut Fishbach.

Pour en savoir plus sur les ondes gravitationnelles :