GW150914 est le nom du signal à l’origine de la première observation directe d’ondes gravitationnelles annoncée le par les laboratoires LIGO et Virgo. La détection a été faite le à sur les deux sites américains jumeaux LIGO construits dans les États de Louisiane et de Washington à trois mille kilomètres de distance..
La forme d’onde correspond aux prédictions de la relativité générale concernant la chute en spirale et la fusion d’une paire de trous noirs et l’effet provoqué par le trou noir résultant. Il s’agit de la première observation directe de trous noirs, et d’une fusion de trous noirs binaires, démontrant par là même l’existence d’un tel système, et qu’une telle fusion peut survenir durant le temps de Hubble. Cet événement inaugure l’astronomie gravitationnelle, une nouvelle branche de l’astronomie.
Contexte Les ondes gravitationnellesEntrée « onde gravitationnelle », dans ., ou ondes de gravitation . . ., sont des oscillations de la courbure de l'espace-temps .. Elles se propagent à la vitesse de la lumière dans le vide . . (il s'agit en ce cas aussi bien de leur vitesse de phase que de leur vitesse de groupe .).
Leur existence est prédite dès 1916 par le physicien Albert Einstein sur la base de sa théorie de la relativité générale.... Antérieurement, le phénomène est pressenti par le mathématicien et physicien français Henri Poincaré. Einstein et d'autres physiciens se sont tout de suite demandé si ces ondes avaient une existence matérielle ou si elles étaient de purs artefacts résultant du calcul, Einstein lui-même changeant plusieurs fois d'avis sur le sujet.
Des preuves indirectes de l'existence des ondes gravitationnelles ont été obtenues en 1974 grâce à l'observation du mouvement du pulsar binaire , pour laquelle Russell Alan Hulse et Joseph Hooton Taylor, reçoivent le prix Nobel de physique en 1993. Les systèmes binaires, tels que les trous noirs binaires, émettent des ondes gravitationnelles. Cela réduit leur orbite et conduit à un mouvement de chute en spirale de l'un vers l'autre (inspiral) et finalement, dans le cas de deux trous noirs, à leur fusion.
Le , la collaboration BICEP annonce avoir détecté des ondes gravitationnelles primordiales.. Mais, le , leur détection est invalidée par la collaboration Planck..
Développement de LIGO
alt=Photographie du bras nord de l’observatoire LIGO à Hanford.|vignette|droite|Le bras nord de l’observatoire LIGO à Hanford.
LIGO fait fonctionner deux observatoires d’ondes gravitationnelles à l’unisson : l’observatoire LIGO de Livingston () à Livingston en Louisiane et l’observatoire LIGO de Hanford, sur le complexe nucléaire de Hanford () situé près de Richland dans l’état de Washington. Ces sites sont distants de l’un de l’autre. Les observatoires comparent les signaux de leurs interféromètres laser. Les premières mesures de LIGO entre 2002 et 2010 n’ont détecté aucune onde gravitationnelle. S’est ensuivi un arrêt de plusieurs années durant lesquelles les détecteurs ont été remplacés par des versions améliorées dites « LIGO ». En , les deux détecteurs avancés ont été placés en mode ingénierie, avec des observations scientifiques formelles qui ont commencé le .
Tout au long du développement et des observations de la première phase de LIGO, plusieurs « injections à l’aveugle » de faux signaux d’ondes gravitationnelles ont eu lieu pour tester la capacité des chercheurs à identifier de tels signaux. Afin de protéger l’efficacité des injections à l’aveugle, seulement quatre scientifiques du LIGO avaient connaissance de telles injections, et cette information était dévoilée seulement après que le signal avait été complètement analysé par les chercheurs. Cependant, aucun test de ce type n’avait eu lieu en lorsque GW150914 a été détectée.
L’événement GW150914 Détection de l’événement GW150914, qui se nomme ainsi d’après les initiales des mots « » (traduction anglaise de onde gravitationnelle) suivies de la date de sa détection, a été observé par les détecteurs LIGO de Hanford et de Livingston à UTC le . Le signal provenait de l’, globalement dans la direction des nuages de Magellan (mais la source est située bien au-delà d’eux). Le signal a duré plus de , et a augmenté de fréquence et d’amplitude pendant environ huit cycles de 35 à . Il a été décrit comme un « pépiement » (chirp en anglais) d’oiseau. La détection a été signalée dans les trois minutes qui ont suivi l’acquisition du signal via l’utilisation de méthodes de recherche à faible latence qui fournissent une première analyse rapide des données recueillies par les détecteurs. Le premier observateur à en avoir pris connaissance est un chercheur italien, Marco Drago, en post-doctorat à l’institut Max-Planck de physique gravitationnelle à Hanovre en Allemagne. On a d’abord cru que le signal n’était pas réelCho, Adrian (11 février 2016). et qu’il s’agissait d’un signal test.
Une analyse statistique plus détaillée de la prise de données d’une période de seize jours collectées entre le et le a permis d’exclure que GW150914 provienne du bruit de l’expérience, avec une signification statistique de plus de , soit un intervalle de confiance de 99,99998 %. Le signal a été vu à Livingston sept millisecondes avant qu’il ne soit vu à Hanford, ce qui est compatible avec un temps de propagation de l’onde gravitationnelle à la vitesse de la lumière entre les deux sites.
Au moment de l’événement, le détecteur d’ondes gravitationnelles Virgo (près de Pise en Italie) était à l’arrêt pour une amélioration de ses équipements ; s’il avait été opérationnel, il aurait probablement été assez sensible pour détecter le signal. GEO600 (près de Hanovre en Allemagne) n’était pas assez sensible pour détecter le signal. Par conséquent, aucun de ces détecteurs n’a été capable de confirmer le signal mesuré par LIGO.
Origine astrophysique alt=Vue d’artiste de deux trous noirs fusionnant.|vignette|Vue d’artiste de deux trous noirs fusionnant.
L’événement a eu lieu à une distance de luminosité de mégaparsecs. (déterminé par l’amplitude du signal), ou d’années-lumière, correspondant à un décalage vers le rouge cosmologique de (intervalle de confiance de 90 %). L’analyse du signal au travers du décalage vers le rouge présumé a suggéré qu’il a été produit par la fusion de deux trous noirs avec des masses respectives de et fois celle du Soleil, conduisant à un trou noir post-fusion de masses solaires. La différence d'énergie de solaires a été rayonnée sous forme d’ondes gravitationnelles, en accord avec l’équivalence masse–énergie.
Le pic d’énergie rayonnée par l’onde gravitationnelle, d’une puissance d’environ était supérieur à la puissance lumineuse rayonnée par toutes les étoiles de l’univers observable. Kip Thorne a indiqué :
vignette|Simulation des modifications du champ gravitationnel et de la production des ondes gravitationnelles par la fusion des deux trous noirs ayant produit GW150914.|alt=Simulation des modifications du champ gravitationnel et de la production des ondes gravitationnelles par la fusion des deux trous noirs ayant produit GW150914. Pendant la durée de du signal détectable, la vitesse tangentielle relative (orbitale) des trous noirs a augmenté de 30 % à 60 % de la vitesse de la lumière. La fréquence orbitale de (la moitié de la fréquence de l’onde gravitationnelle) signifie que les objets orbitaient l’un autour de l’autre à une distance de seulement avant qu’ils ne fusionnent. Ce rayon orbital proche implique que les objets doivent être des trous noirs, étant donné qu’aucun autre couple d’objets connu ayant ces masses ne peuvent orbiter si près l’un de l’autre avant de fusionner. Ainsi un couple trou noir-étoile à neutrons aurait-il fusionné à une fréquence plus basse ; l’étoile à neutrons la plus massive connue a deux masses solaires, et on a une limite supérieure théorique de trois masses solaires pour une étoile à neutrons stable, de sorte qu’un couple d’étoiles à neutrons n’aurait pas une masse suffisante pour expliquer la fusion à moins que des alternatives exotiques n’existent, comme les étoiles à bosons. Pour Thibault Damour — théoricien qui a prévu en 2000, en collaboration avec Alessandra Buonanno, les effets du signal qui a été observé — l’importance de cette observation tient à ce que c’est Thibault Damour, Moment historique ! Émission spéciale sur les ondes gravitationnelles, La Tête au carré sur France Inter, 4 min 34 s, 12 février 2016.
La décroissance de la forme d’onde après avoir atteint un sommet était compatible avec les oscillations amorties de la détente d’un trou noir vers une configuration de fusion finale. Bien que le mouvement de tournoiement puisse être bien décrit à partir de l’analyse du signal, l’étape de fusion dans le régime de fort champ gravitationnel peut uniquement être résolue dans le cas général par .
L’objet post-fusion est supposé être un trou noir de Kerr (c’est-à-dire en rotation) avec un paramètre de spin de .
Localisation de l’événement Les détecteurs d’ondes gravitationnelles surveillent l’ensemble du ciel sans moyen de déterminer l’origine spatiale des signaux. Un réseau d’instruments est nécessaire pour reconstruire la localisation de l’événement dans le ciel. Avec seulement les deux instruments de LIGO en mode observationnel, la localisation de la source de GW150914 peut seulement être reconstruite avec une zone en forme de banane. Cela a été fait avec l’analyse du retard en temps de , en tenant compte de l’amplitude et de la cohérence de phase entre les deux détecteurs. Cette analyse a produit une région crédible de (50 % de probabilité) ou de (90 % de probabilité) située principalement dans l’.
Suivi électromagnétique et neutrino Cette zone du ciel a été ciblée par des observations qui ont suivi dans le domaine des longueurs d’onde des ondes radios, optique, proche infrarouge, et gamma ainsi que par des recherches de neutrinos coïncidents.
Suivi électromagnétique Le télescope Gamma Burst Monitor du Fermi Gamma-ray Space Telescope a détecté un faible sursaut gamma au-dessus de , commençant après l’événement détecté par le LIGO et avec une région d’incertitude coïncidant avec l’observation faite par le LIGO. Il a été indiqué que les deux observations étaient corrélées, avec une probabilité de fausse alerte de 0,0022. Si on les combine, les deux observations réduisent l’intervalle de confiance de 90 % de 601 à 199 degrés carrés.
Cependant, des observations utilisant le télescope INTEGRAL, via l’instrument couvrant tout le ciel SPI-ACS, indiquent que la quantité d’énergie émise par l’événement sous forme de rayons X durs et de rayons gamma est inférieure à une partie par million de l’énergie émise sous forme d’ondes gravitationnelles. Cette étude conclut que .
Des observations par le télescope spatial SWIFT des galaxies proches de la région de détection, deux jours après l’événement, n’ont détecté aucune nouvelle source de , de lumière visible ou ultraviolette.
Discussion Le , Abraham Loeb publie sur arXiv un article dans lequel il décrit un scénario pouvant expliquer l’observation de cette onde gravitationnelle par LIGO et le possible sursaut gamma repéré par le télescope spatial Fermi, si son origine astrophysique était confirmée. Loeb fait l’hypothèse que dans une étoile très massive en rotation rapide d’une masse supérieure à 100 fois celle du Soleil, la force centrifuge qui s’exerce durant son effondrement conduirait à la formation d’une barre tournante, puis de deux masses denses à ses extrémités (donnant à l’ensemble une forme d’haltère) et finalement d’un couple de trous noirs. Une fusion « classique » de trous noirs ne doit pas produire d’émissions électromagnétiques, mais dans ce scénario, de la matière accrétée autour du trou noir final pourrait expliquer le sursaut gamma, d’une durée de une seconde et repéré 0,4 seconde après l’onde gravitationnelle, détecté par FermiLoeb (2016).Ondes gravitationnelles : un trou noir binaire dans une étoile ?, futura-sciences..