Cette conception d'artiste montre deux trous noirs en fusion similaires à ceux détectés par LIGO. Les trous noirs tournent de manière non alignée, ce qui signifie qu'ils ont des orientations différentes par rapport au mouvement orbital global de la paire. LIGO/Caltech/MIT/État de Sonoma (Aurore Simonnet) Pour la troisième fois, des scientifiques ont détecté un grondement spatio-temporel provoqué par une violente collision de deux trous noirs. L'Observatoire des ondes gravitationnelles par interféromètre laser (LIGO) a effectué la détection, déterminant que les deux trous noirs ont fusionné pour créer un grand trou noir dans une galaxie à environ 3 milliards d'années-lumière.
« Nous avons observé – le 4 janvier, 2017 – une autre coalescence binaire trou noir-trou noir massive; l'in-spirale et la fusion de trous noirs 20 et 30 fois la masse de notre soleil, " Dave cordonnier, un chercheur scientifique senior qui travaille au Massachusetts Institute of Technology (MIT) et le porte-parole de la LIGO Scientific Collaboration, a déclaré aux journalistes lors d'un point de presse spécial mercredi 31 mai.
Ce smashup de trou noir gargantuesque a créé un trou noir tournant encore plus massif, environ 49 fois la masse de notre soleil. Dans un instant, la masse équivalente à deux fois celle de notre soleil a été convertie directement en ondes gravitationnelles - produisant brièvement plus d'énergie que toute l'énergie qui est rayonnée sous forme de lumière par toutes les galaxies de l'univers à tout moment, disent les scientifiques de LIGO.
Les détails de la détection ont été publiés dans la revue Physical Review Letters.
Après de nombreuses années de planification, développement et construction, LIGO a fait ses premières observations en 2002. Cependant, ce n'est que le 14 septembre 2015, que la première détection historique d'ondes gravitationnelles - un événement appelé "GW150914" - a été faite. Cela s'est produit après que LIGO ait subi des mises à niveau (connues sous le nom de Advanced LIGO) pour augmenter sa sensibilité. Puis, une seconde détection ("GW151226") a suivi quelques mois plus tard en décembre, confirmant que la première découverte n'était pas un hasard.
Maintenant, la Collaboration Scientifique LIGO - qui se compose de plus d'un millier de scientifiques à travers le monde - a confirmé la troisième détection d'ondes gravitationnelles ("GW170104"), ce qui signifie que nous sommes à l'aube d'un tout nouveau type d'astronomie.
Toutes les ondes gravitationnelles détectées jusqu'à présent ont été créées par la collision de trous noirs de masse stellaire de tailles variées. Ce sont des trous noirs qui sont quelques à quelques dizaines de fois la masse de notre soleil qui ont probablement été formés par la mort d'étoiles très massives après qu'elles aient manqué de carburant et explosé en supernova il y a des milliards d'années. Advanced LIGO a atteint un carrefour dans notre recherche d'ondes gravitationnelles, atteignant enfin une sensibilité capable de détecter la collision de trous noirs très éloignés, créant de faibles ondes gravitationnelles que nous savons maintenant remplir notre univers.
Les événements de 2015 ont été causés par des fusions créant des trous noirs 62 et 21 masses solaires dans des galaxies à 1,3 et 1,4 milliard d'années-lumière, respectivement. (Remarque :alors que les ondes gravitationnelles se déplacent à la vitesse de la lumière, ces fusions se sont produites 1,3 et 1,4 milliard d'années depuis .) Cette dernière détection est issue d'une fusion créant un trou noir de 49 masses solaires (un autre trou noir "lourd" comme le premier), mais la fusion s'est produite plus de deux fois plus loin que les événements précédents.
"Ce que cela signifie, c'est que nous avons maintenant un deuxième candidat dans la catégorie des trous noirs "lourds", " dit Bangalore Sathyaprakash, de Penn State et de l'Université de Cardiff et membre de la collaboration scientifique LIGO.
LIGO a découvert une nouvelle population de trous noirs avec des masses plus importantes que celles observées auparavant avec les seules études aux rayons X (violet). Les trois détections confirmées par LIGO (GW150914, GW151226, GW170104), et une détection de moindre confiance (LVT151012), pointent vers une population de trous noirs binaires de masse stellaire qui, une fois fusionné, sont plus grandes que 20 masses solaires, plus grandes que ce que l'on savait auparavant. LIGO/Caltech/État de Sonoma (Aurore Simonnet) Ceci est important car, avant que LIGO ne fasse sa première détection (un trou noir de 62 masse solaire) et sa plus récente (un trou noir de 49 masse solaire), il n'y avait aucune preuve d'observation que ces grands trous noirs existaient même. C'est une découverte précoce incroyable. Les scientifiques ont révélé un tout nouveau type de grand trou noir en seulement trois détections.
Les choses sont sur le point de devenir encore plus excitantes alors que LIGO subit des mises à niveau plus planifiées et que d'autres observatoires se joignent à la chasse aux ondes gravitationnelles.
« Nous devrions nous attendre à voir un événement de fusion binaire par jour une fois la sensibilité conçue de LIGO atteinte, " dit Sathyaprakash.
Lorsque des ondes gravitationnelles sont détectées, les conditions des trous noirs en collision au moment de la fusion peuvent être étudiées.
« Dans notre analyse, nous ne pouvons pas très bien mesurer les spins des trous noirs individuels, mais nous pouvons dire si les trous noirs tournent généralement dans la même direction que le mouvement orbital, " dit l'astrophysicienne Laura Cadonati, Porte-parole adjoint de la collaboration scientifique LIGO de Georgia Tech.
Mais une idée de la rotation des trous noirs les uns par rapport aux autres peut être trouvée en étudiant "l'empreinte digitale" du signal d'onde gravitationnelle, dit Cadonati.
Les modèles théoriques de fusion des trous noirs indiquent que si les spins des deux trous noirs ne sont pas alignés, l'événement de fusion se produira plus rapidement que si les spins sont alignés. Aussi, des oscillations supplémentaires dans le signal sont prédites lorsque deux trous noirs alignés en spin se rapprochent et commencent à fusionner.
Les trous noirs alignés par spin étaient probablement des étoiles sœurs. Les deux seraient nés d'étoiles massives qui ont évolué à proximité dans d'anciennes usines d'étoiles en tant que paire binaire, mourant finalement sous forme de supernova.
Mais dans cet événement le plus récent, la fusion s'est produite relativement rapidement et aucune oscillation supplémentaire n'a été observée, ce qui signifie que les deux trous noirs étaient probablement ne pas alignés par rotation et ne se sont probablement pas formés ensemble. Cela donne un indice sur leur origine :plutôt que d'être formé à partir d'étoiles binaires sœurs, ils étaient des étrangers et ont évolué indépendamment, dérivant l'un vers l'autre au centre d'un amas stellaire dense où ils ont finalement fusionné.
"Cela a des implications pour l'astrophysique... alors que nous ne pouvons pas dire avec certitude, cette découverte favorise probablement la théorie selon laquelle ces deux trous noirs se sont formés séparément dans un amas stellaire dense, a coulé au cœur du cluster puis s'est jumelé, plutôt que d'être formé ensemble à partir de l'effondrement de deux étoiles déjà appariées, " ajoute Cadonati.
Comme les trous noirs sont des monstres gravitationnels, ils sont régis par la relativité générale d'Einstein, ainsi en étudiant les ondes gravitationnelles qu'ils produisent lorsqu'ils entrent en collision, les scientifiques peuvent également étudier les ondes pour un effet connu sous le nom de "dispersion". Par exemple, quand la lumière traverse un prisme, les différentes longueurs d'onde voyageront à des vitesses différentes à travers le verre. Cela provoque une dispersion dans le faisceau de lumière - c'est le mécanisme qui crée un arc-en-ciel.
La relativité générale interdit que la dispersion n'arrive aux ondes gravitationnelles, toutefois. Ce dernier signal a traversé un record de 3 milliards d'années-lumière d'espace-temps pour atteindre la Terre, et LIGO n'a détecté aucun effet de dispersion.
"On dirait qu'Einstein avait raison - même pour ce nouvel événement, qui est environ deux fois plus loin que notre première détection, ", dit Cadonati dans un communiqué. "Nous ne pouvons voir aucun écart par rapport aux prédictions de la relativité générale, et cette plus grande distance nous aide à faire cette déclaration avec plus de confiance."
La célèbre théorie de la relativité générale d'Einstein prédit l'existence d'ondes gravitationnelles, mais il a fallu à l'humanité plus d'un siècle pour développer le savoir-faire technologique nécessaire pour construire un détecteur suffisamment sensible pour les percevoir. Lorsqu'un événement énergétique se produit (comme une fusion de trous noirs ou une collision d'étoiles à neutrons), l'espace-temps est violemment perturbé et l'énergie est emportée par l'événement sous la forme d'ondes gravitationnelles - comme des ondulations se déplaçant à la surface de l'eau après avoir laissé tomber un caillou dans un étang.
Une simulation mathématique de l'espace-temps déformé à proximité de deux trous noirs fusionnant, cohérent avec l'observation de LIGO de l'événement surnommé GW170104. Les bandes colorées sont des pics et des creux d'ondes gravitationnelles, les couleurs s'éclaircissant au fur et à mesure que l'amplitude de l'onde augmente. Collaboration LIGO/Caltech/MIT/SXS Mais pour détecter ces ondes, les astronomes doivent construire un observatoire capable de détecter des oscillations incroyablement minuscules dans le tissu de l'espace-temps lorsque ces ondes traversent notre planète. Les ondes gravitationnelles ne font pas partie du spectre électromagnétique; ils ne peuvent pas être détectés par les télescopes ordinaires qui ne sont sensibles qu'à la lumière.
Pour ouvrir la fenêtre sur cet « univers sombre, " les physiciens construisent des détecteurs d'ondes gravitationnelles comme LIGO qui réfléchissent des lasers incroyablement précis le long de tunnels en forme de "L" de 4 kilomètres de long. Ces tunnels sont protégés des vibrations externes causées par le vent, circulation, activité tectonique et autres interférences terrestres. Grâce à une méthode connue sous le nom d'interférométrie laser, la distance entre les miroirs réfléchissants à l'intérieur du tunnel peut être mesurée avec une très grande précision. Si une onde gravitationnelle traverse notre planète, un petit changement de distance peut être enregistré par l'interféromètre - cela représente la compression et l'étirement infimes de l'espace-temps qui se produisent lorsque les ondes gravitationnelles se propagent.
C'est comme si les physiciens avaient créé un fil-piège virtuel qui nous avertit lorsqu'un intrus d'onde gravitationnelle invisible gronde dans l'espace-temps local.
Un détecteur ne suffit pas pour confirmer un événement d'onde gravitationnelle, toutefois. Dans le cas de LIGO, un détecteur est situé à Hanford, Washington, et un autre est situé à Livingston, Louisiane — séparés par 1, 865 milles (3, 002 kilomètres). Ce n'est que lorsque le même événement est détecté par les deux emplacements que les scientifiques peuvent confirmer un signal d'onde gravitationnelle. Deux détecteurs peuvent même déterminer une direction approximative de la provenance de l'onde, mais si plus de détecteurs sont ajoutés au réseau, les astronomes espèrent éventuellement localiser, avec une précision croissante, d'où ils proviennent.
D'autres observatoires d'ondes gravitationnelles sont prévus, et le détecteur européen Virgo, situé près de Pise, Italie, est actuellement en cours de mise en service. Une fois en ligne, Virgo sera utilisé en conjonction avec LIGO pour augmenter la puissance d'observation des ondes gravitationnelles et permettre une meilleure localisation des événements cosmiques à l'origine des signaux.
Maintenant que l'existence des ondes gravitationnelles a été confirmée, et les astronomes détectent plus de fusions de trous noirs, nous entrons dans une nouvelle ère pour l'astronomie. C'est l'astronomie des ondes gravitationnelles, où l'univers sombre sera enfin révélé.
Maintenant c'est intéressantAvant l'arrivée de LIGO, Les observatoires à rayons X avaient discerné des trous noirs de masse stellaire plus petits en étudiant le rayonnement produit par les gaz des disques d'accrétion surchauffés qui les entourent.
