Une collaboration de recherche internationale comprenant des astronomes de la Northwestern University a produit le portrait de famille le plus détaillé des trous noirs à ce jour, offrant de nouveaux indices sur la formation des trous noirs. Une analyse approfondie des données les plus récentes sur les ondes gravitationnelles disponibles a conduit au riche portrait ainsi qu'à de multiples tests de la théorie de la relativité générale d'Einstein. (La théorie a réussi chaque test.)

L'équipe de scientifiques qui composent la collaboration scientifique LIGO (LSC) et la collaboration Virgo partage désormais tous les détails de ses découvertes. Cela inclut de nouveaux candidats à la détection d'ondes gravitationnelles qui ont résisté à un examen minutieux - un total énorme de 39, représentant une variété de trous noirs et d'étoiles à neutrons - et de nouvelles découvertes résultant de la combinaison de toutes les observations. Les 39 événements en moyenne plus d'un par semaine d'observation.

Les observations pourraient être un élément clé pour résoudre les nombreux mystères de l'interaction exacte des étoiles binaires. Une meilleure compréhension de l'évolution des étoiles binaires a des conséquences sur l'astronomie, des exoplanètes à la formation des galaxies.

Les détails sont rapportés dans un trio d'articles connexes qui seront disponibles en version pré-imprimée le 28 octobre sur arxiv.org. Les études sont également soumises à des revues à comité de lecture.

Les signaux d'ondes gravitationnelles sur lesquels les études sont basées ont été détectés au cours de la première moitié de la troisième période d'observation, appelé O3a, de l'Observatoire d'ondes gravitationnelles d'interférométrie laser de la National Science Foundation (LIGO), une paire d'identiques, des interféromètres de 4 kilomètres de long aux États-Unis, et Vierge, un détecteur de 3 kilomètres de long en Italie. Les instruments peuvent détecter des signaux d'ondes gravitationnelles provenant de nombreuses sources, y compris les collisions de trous noirs et les collisions d'étoiles à neutrons.

"L'astronomie à ondes gravitationnelles est révolutionnaire - nous révélant la vie cachée des trous noirs et des étoiles à neutrons, " a déclaré Christophe Berry, membre du LSC et auteur des articles. "En seulement cinq ans, nous sommes passés de l'ignorance de l'existence des trous noirs binaires à un catalogue de plus de 40. Le troisième cycle d'observation a donné plus de découvertes que jamais auparavant. Les combiner avec des découvertes antérieures brosse un beau tableau de la riche variété de l'univers de binaires."

Berry est professeur de recherche au Conseil des visiteurs du CIERA au CIERA (Centre d'exploration et de recherche interdisciplinaires en astrophysique) de Northwestern et conférencier à l'Université de Glasgow. Les autres auteurs de Northwestern incluent les membres de la CIERA Maya Fishbach et Chase Kimball. Le CIERA abrite un large groupe de chercheurs en théorie, simulation et observation qui étudient les trous noirs, étoiles à neutrons, naines blanches et plus.

En tant que membre de la collaboration, Les chercheurs de Northwestern ont analysé les données des détecteurs d'ondes gravitationnelles pour déduire les propriétés des binaires détectés des trous noirs et des étoiles à neutrons et fournir une interprétation astrophysique de ces découvertes.

Les articles sont résumés comme suit :

• Le "catalog paper" détaille les détections de trous noirs et d'étoiles à neutrons de la première moitié d'O3a, ce qui porte à 39 le nombre total de candidats à la détection pour cette période. Ce nombre dépasse largement les détections des deux premiers passages d'observation. (Le premier essai avait trois détections d'ondes gravitationnelles, et le second en avait huit.) Les détections précédemment annoncées par O3a incluent un objet mystérieux dans le trou de masse (GW190814) et le premier trou noir de masse intermédiaire (GW190521).
• Dans le « journal des populations, " les chercheurs ont reconstitué la distribution des masses et des spins de la population de trous noirs et ont estimé le taux de fusion des étoiles à neutrons binaires. Les résultats aideront les scientifiques à comprendre les processus astrophysiques détaillés qui façonnent la formation de ces systèmes. trous noirs et sachant que les spins des trous noirs peuvent être mal alignés suggère qu'il pourrait y avoir plusieurs façons pour les trous noirs binaires de se former.
• En utilisant l'ensemble des détections signalées dans le papier du catalogue, les chercheurs ont mené une analyse détaillée en combinant tout ensemble. Dans ce qu'ils appellent « le test de la relativité générale, " les auteurs ont imposé des contraintes à la théorie de la relativité générale d'Einstein. La théorie est passée avec brio, et ils ont mis à jour leurs meilleures mesures sur les modifications potentielles.

"Jusque là, La troisième campagne d'observation de LIGO et Virgo a réservé de nombreuses surprises, " dit Fishbach, un boursier postdoctoral Einstein de la NASA et membre du LSC. "Après le deuxième passage d'observation, Je pensais que nous avions vu tout le spectre des trous noirs binaires, mais le paysage des trous noirs est bien plus riche et varié que je ne l'imaginais. Je suis impatient de voir ce que les futures observations nous apprendront."

Fishbach a coordonné la rédaction de l'article sur les populations qui décrit ce que la collaboration a appris sur les propriétés de la famille de fusion des trous noirs et des étoiles à neutrons.

Berry a aidé à coordonner l'analyse dans le cadre d'une équipe mondiale pour déduire les propriétés des détections, et il a été réviseur du comité de rédaction du LSC pour le catalogue et les essais d'articles sur la relativité générale.

Étudiant diplômé Chase Kimball, un membre du LSC, contribué des calculs des taux de fusions au papier des populations. Kimball est co-conseillé par Berry et Vicky Kalogera, le chercheur principal du groupe LSC de Northwestern, directeur du CIERA et Daniel I. Linzer Distinguished University Professor of Physics and Astronomy in the Weinberg College of Arts and Sciences.

Les détecteurs LIGO et Virgo ont terminé leur dernière période d'observation en mars dernier. Les données analysées dans ces trois articles ont été collectées à partir du 1er avril 2019, au 1er octobre 2019. Les chercheurs sont en train d'analyser les données de la seconde moitié de la période d'observation, O3b.

Les détecteurs devraient reprendre l'observation l'année prochaine après que des travaux auront été effectués pour augmenter leur portée de détection.

"La fusion des binaires de trous noirs et d'étoiles à neutrons est un laboratoire unique, " a déclaré Berry. "Nous pouvons les utiliser pour étudier à la fois la gravité - jusqu'à présent, la relativité générale d'Einstein a réussi tous les tests - et l'astrophysique de la façon dont les étoiles massives vivent leur vie. LIGO et Virgo ont transformé notre capacité à observer ces binaires, et, à mesure que nos détecteurs s'améliorent, le taux de découverte ne fera que s'accélérer."