Le Laser Interferometer Gravitational-wave Observatory (LIGO) a réalisé une troisième détection d'ondes gravitationnelles, ondulations dans l'espace et le temps, démontrant qu'une nouvelle fenêtre en astronomie s'est fermement ouverte. Comme ce fut le cas pour les deux premières détections, les ondes ont été générées lorsque deux trous noirs sont entrés en collision pour former un trou noir plus grand.

Le nouveau trou noir, formé par la fusion, a une masse d'environ 49 fois celle de notre soleil. Cela comble un vide entre les masses des deux trous noirs fusionnés détectés précédemment par LIGO, avec des masses solaires de 62 (première détection) et 21 (deuxième détection).

"Nous avons une confirmation supplémentaire de l'existence de trous noirs de masse stellaire supérieurs à 20 masses solaires - ce sont des objets dont nous ignorions l'existence avant que LIGO ne les détecte, " dit David Shoemaker du MIT, le porte-parole nouvellement élu de la Collaboration Scientifique LIGO (LSC), un corps de plus de 1, 000 scientifiques internationaux qui effectuent des recherches LIGO avec la collaboration Virgo basée en Europe. "Il est remarquable que les humains puissent inventer une histoire, et testez-le, pour ces événements étranges et extrêmes qui ont eu lieu il y a des milliards d'années et à des milliards d'années-lumière de nous. L'ensemble des collaborations scientifiques LIGO et Virgo ont travaillé pour assembler toutes ces pièces."

La nouvelle détection s'est produite pendant la période d'observation actuelle de LIGO, qui a commencé le 30 novembre 2016, et se poursuivra tout l'été. LIGO est une collaboration internationale avec des membres du monde entier. Ses observations sont effectuées par des détecteurs jumeaux-un à Hanford, Washington, et l'autre à Livingston, Louisiane — exploité par Caltech et le MIT avec un financement de la National Science Foundation (NSF).

LIGO a réalisé la toute première observation directe des ondes gravitationnelles en septembre 2015 lors de sa première période d'observation depuis qu'il a subi des mises à niveau majeures dans un programme appelé Advanced LIGO. La deuxième détection a été faite en décembre 2015. La troisième détection, appelé GW170104 et fait le 4 janvier, 2017, est décrit dans un nouvel article accepté pour publication dans la revue Lettres d'examen physique .

Dans les trois cas, chacun des détecteurs jumeaux de LIGO a détecté des ondes gravitationnelles provenant des fusions extrêmement énergétiques de paires de trous noirs. Ce sont des collisions qui produisent plus d'énergie que ce qui est rayonné sous forme de lumière par toutes les étoiles et galaxies de l'univers à un moment donné. La détection récente semble être la plus éloignée à ce jour, avec les trous noirs situés à environ 3 milliards d'années-lumière. (Les trous noirs des première et deuxième détections sont situés à 1,3 et 1,4 milliard d'années-lumière, respectivement.)

La dernière observation fournit également des indices sur les directions dans lesquelles les trous noirs tournent. Alors que des paires de trous noirs s'enroulent en spirale, ils tournent également sur leurs propres haches, comme une paire de patineurs sur glace qui tournent individuellement tout en tournant l'un autour de l'autre. Parfois, les trous noirs tournent dans la même direction orbitale globale que la paire se déplace - ce que les astronomes appellent des spins alignés - et parfois ils tournent dans la direction opposée du mouvement orbital. Quoi de plus, les trous noirs peuvent également être inclinés loin du plan orbital. Essentiellement, les trous noirs peuvent tourner dans n'importe quelle direction.

Les nouvelles données LIGO ne peuvent pas déterminer si les trous noirs récemment observés étaient inclinés, mais elles impliquent qu'au moins un des trous noirs peut avoir été non aligné par rapport au mouvement orbital global. Plus d'observations avec LIGO sont nécessaires pour dire quelque chose de définitif sur les spins des trous noirs binaires, mais ces premières données offrent des indices sur la façon dont ces paires peuvent se former.

"C'est la première fois que nous avons la preuve que les trous noirs peuvent ne pas être alignés, nous donnant juste un petit indice que des trous noirs binaires peuvent se former dans des amas stellaires denses, " dit Bangalore Sathyaprakash de Penn State et de l'Université de Cardiff, l'un des rédacteurs du nouveau journal, qui est rédigé par l'ensemble des collaborations LSC et Virgo.

Il existe deux modèles principaux pour expliquer comment des paires binaires de trous noirs peuvent être formées. Le premier modèle propose que les trous noirs naissent ensemble :ils se forment lorsque chaque étoile d'une paire d'étoiles explose, puis, parce que les étoiles originelles tournaient en alignement, les trous noirs restent probablement alignés.

Dans l'autre modèle, les trous noirs se réunissent plus tard dans la vie au sein d'amas stellaires surpeuplés. Les trous noirs s'apparient après avoir coulé au centre d'un amas d'étoiles. Dans ce scénario, les trous noirs peuvent tourner dans n'importe quelle direction par rapport à leur mouvement orbital. Parce que LIGO voit des preuves que les trous noirs GW170104 ne sont pas alignés, les données favorisent légèrement cette théorie des amas stellaires denses.

"Nous commençons à rassembler de vraies statistiques sur les systèmes binaires de trous noirs, " dit Keita Kawabe de Caltech, également éditeur du journal, qui est basé à l'observatoire LIGO Hanford. "C'est intéressant parce que certains modèles de formation binaire de trous noirs sont quelque peu favorisés par rapport aux autres, même maintenant et, à l'avenir, nous pouvons encore affiner cela."

L'étude met également une fois de plus les théories d'Albert Einstein à l'épreuve. Par exemple, les chercheurs ont recherché un effet appelé dispersion, qui se produit lorsque les ondes lumineuses dans un support physique tel que le verre se déplacent à des vitesses différentes en fonction de leur longueur d'onde; c'est ainsi qu'un prisme crée un arc-en-ciel. La théorie de la relativité générale d'Einstein interdit que la dispersion se produise dans les ondes gravitationnelles lorsqu'elles se propagent de leur source à la Terre. LIGO n'a pas trouvé de preuves de cet effet.

"On dirait qu'Einstein avait raison, même pour ce nouvel événement, qui est environ deux fois plus loin que notre première détection, ", déclare Laura Cadonati de Georgia Tech et porte-parole adjointe du LSC. "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."

« Les instruments LIGO ont atteint des sensibilités impressionnantes, " note Jo van den Brand, le porte-parole de la collaboration Virgo, physicien à l'Institut national néerlandais de physique subatomique (Nikhef) et professeur à l'Université VU d'Amsterdam. "Nous nous attendons à ce que d'ici cet été Vierge, l'interféromètre européen, étendra le réseau de détecteurs, nous aidant à mieux localiser les signaux."

L'équipe LIGO-Virgo continue de rechercher dans les dernières données LIGO des signes d'ondulations spatio-temporelles aux confins du cosmos. Ils travaillent également sur des améliorations techniques pour la prochaine exécution de LIGO, devrait commencer fin 2018, au cours de laquelle la sensibilité des détecteurs sera améliorée.

"Avec la troisième détection confirmée d'ondes gravitationnelles provenant de la collision de deux trous noirs, LIGO s'impose comme un observatoire puissant pour révéler la face obscure de l'univers, " dit David Reitze de Caltech, directeur exécutif du Laboratoire LIGO. « Alors que LIGO est particulièrement adapté à l'observation de ces types d'événements, nous espérons voir bientôt d'autres types d'événements astrophysiques, comme la collision violente de deux étoiles à neutrons."