Les attentes de la communauté de recherche sur les ondes gravitationnelles ont été comblées :les découvertes d'ondes gravitationnelles font désormais partie de leur travail quotidien comme ils l'ont identifié dans le passé d'observation, O3, de nouveaux candidats aux ondes gravitationnelles environ une fois par semaine. Mais maintenant, les chercheurs ont publié un signal remarquable qui ne ressemble à aucun de ceux observés auparavant :GW190412 est la première observation d'une fusion binaire de trous noirs où les deux trous noirs ont des masses distinctement différentes d'environ 8 et 30 fois celles de notre Soleil. Cela a non seulement permis des mesures plus précises des propriétés astrophysiques du système, mais cela a également permis aux scientifiques de LIGO/Virgo de vérifier une prédiction jusqu'à présent non testée de la théorie de la relativité générale d'Einstein.

"Pour la toute première fois, nous avons "entendu" dans GW190412 le bourdonnement indubitable des ondes gravitationnelles d'une harmonique supérieure, semblable aux harmoniques des instruments de musique, " explique Frank Ohme, chef du groupe de recherche indépendant Max Planck "Observations de fusion binaire et relativité numérique" à l'Institut Max Planck de physique gravitationnelle (Institut Albert Einstein; AEI) à Hanovre. "Dans les systèmes avec des masses inégales comme GW190412 - notre première observation de ce type - ces harmoniques dans le signal des ondes gravitationnelles sont beaucoup plus fortes que dans nos observations habituelles. C'est pourquoi nous ne pouvions pas les entendre auparavant, mais dans GW190412, nous pouvons enfin. » Cette observation confirme une fois de plus la théorie de la relativité générale d'Einstein, qui prédit l'existence de ces harmoniques supérieures, c'est-à-dire des ondes gravitationnelles à deux ou trois fois la fréquence fondamentale observée jusqu'à présent.

"Les trous noirs au cœur de GW190412 ont 8 et 30 fois la masse de notre Soleil, respectivement. C'est le premier système binaire de trous noirs que nous ayons observé pour lequel la différence entre les masses des deux trous noirs est si grande!", déclare Roberto Cotesta, un doctorat étudiant dans la division "Astrophysical and Cosmological Relativity" à l'AEI de Potsdam. « Cette grande différence de masse signifie que nous pouvons mesurer plus précisément plusieurs propriétés du système :sa distance à nous, l'angle sous lequel on le regarde, et à quelle vitesse le trou noir lourd tourne autour de son axe."

Un signal comme aucun avant

GW190412 a été observé par les deux détecteurs LIGO et le détecteur Virgo le 12 avril 2019, au début de la troisième période d'observation des détecteurs O3. Les analyses révèlent que la fusion s'est produite à une distance de 1,9 à 2,9 milliards d'années-lumière de la Terre. Le nouveau système de masse inégale est une découverte unique puisque tous les binaires observés précédemment par les détecteurs LIGO et Virgo consistaient en deux masses à peu près similaires.

Des masses inégales s'impriment sur le signal d'onde gravitationnelle observé, qui à leur tour permettent aux scientifiques de mesurer plus précisément certaines propriétés astrophysiques du système. La présence d'harmoniques supérieures permet de lever une ambiguïté entre la distance au système et l'angle que l'on regarde par rapport à son plan orbital; par conséquent, ces propriétés peuvent être mesurées avec une plus grande précision que dans les systèmes à masse égale sans harmoniques plus élevées.

"Pendant O1 et O2, nous avons observé la pointe de l'iceberg de la population binaire composée de trous noirs de masse stellaire, " dit Alessandra Buonanno, directeur de la division "Astrophysical and Cosmological Relativity" à l'AEI de Potsdam et professeur de College Park à l'Université du Maryland. "Grâce à la sensibilité améliorée, GW190412 a commencé à nous révéler un plus diversifié, population submergée, caractérisé par une asymétrie de masse aussi grande que 4 et des trous noirs tournant à environ 40% de la valeur maximale possible autorisée par la relativité générale, " Elle ajoute.

Les chercheurs de l'AEI ont contribué à la détection et à l'analyse de GW190412. Ils ont fourni des modèles précis des ondes gravitationnelles des trous noirs coalescents qui comprenaient, pour la première fois, à la fois la précession des spins des trous noirs et les moments multipolaires au-delà du quadripôle dominant. Ces caractéristiques imprimées dans la forme d'onde étaient cruciales pour extraire des informations uniques sur les propriétés de la source et effectuer des tests de relativité générale. Les clusters informatiques haute performance "Minerva" et "Hypatia" à l'AEI Potsdam et "Holodeck" à l'AEI Hanovre ont contribué de manière significative à l'analyse du signal.

Tester la théorie d'Einstein

Les scientifiques de LIGO/Virgo ont également utilisé GW190412 pour rechercher les écarts des signaux par rapport à ce que prédit la théorie de la relativité générale d'Einstein. Même si le signal a des propriétés différentes de tous les autres trouvés jusqu'à présent, les chercheurs n'ont pu trouver aucun écart significatif par rapport aux prédictions relativistes générales.

Un réseau international amélioré de détecteurs utilisant la lumière comprimée

Cette découverte est la deuxième rapportée de la troisième campagne d'observation (O3) du réseau international de détecteurs d'ondes gravitationnelles. Les scientifiques des trois grands détecteurs ont apporté plusieurs améliorations technologiques aux instruments.

"Au cours de l'O3, la lumière pressée a été utilisée pour améliorer la sensibilité de LIGO et de la Vierge. Cette technique de réglage minutieux des propriétés mécaniques quantiques de la lumière laser a été mise au point au détecteur germano-britannique GEO600, " explique Karsten Danzmann, directeur de l'AEI Hanovre et directeur de l'Institut de physique gravitationnelle de l'Université Leibniz de Hanovre. « L'AEI dirige les efforts mondiaux pour maximiser le degré de compression, qui a déjà amélioré la sensibilité du détecteur GEO600 par un facteur de deux. Nos avancées dans cette technologie profiteront à tous les futurs détecteurs d'ondes gravitationnelles."

Deux fait, 54 sur la liste des choses à faire

Le réseau de détecteurs a émis des alertes pour 56 événements d'ondes gravitationnelles possibles (candidats) en O3 (1er avril, 2019 au 27 mars, 2020 avec une interruption pour les mises à niveau et la mise en service en octobre 2019). Sur ces 56, un autre signal confirmé, GW190425, a déjà été publié. Les scientifiques du LIGO et de Virgo examinent les 54 candidats restants et publieront tous ceux pour lesquels des analyses de suivi détaillées confirment leur origine astrophysique.

L'observation de GW190412 signifie que des systèmes similaires ne sont probablement pas aussi rares que prévu par certains modèles. Par conséquent, avec des observations d'ondes gravitationnelles supplémentaires et des catalogues d'événements croissants à l'avenir, plus de tels signaux sont à prévoir. Chacun d'eux pourrait aider les astronomes à mieux comprendre comment se forment les trous noirs et leurs systèmes binaires, et jeter un nouvel éclairage sur la physique fondamentale de l'espace-temps.