Les détecteurs LIGO et Virgo reprennent l'observation des ondes gravitationnelles

Publié par Adrien le 05/04/2024 à 08:00
Source: CNRS IN2P3
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La semaine prochaine, les détecteurs LIGO et Virgo reprendront leurs campagnes d'observation, qui promettent de collecter plus de 200 événements d'ondes gravitationnelles d'ici la fin de la période d'observation actuelle (O4).

Les astronomes espèrent également que de nouveaux événements multi-messagers seront détectés. Les événements multi-messagers sont ceux qui sont observés à la fois par des ondes gravitationnelles et électromagnétiques et qui peuvent être suivis par d'autres télescopes.


Schématisation d'ondes gravitationnelles engendrées par deux trous noirs en orbite l'un autour de l'autre.

La collaboration LIGO-Virgo-KAGRA entamera la deuxième partie de son quatrième cycle d'observation (O4b) le 10 avril. Le détecteur européen Virgo, situé en Italie, près de Pise, participera également à la campagne d'observation, aux côtés des deux interféromètres LIGO de Hanford (Washington) et Livingston (Louisiane) aux États-Unis, qui ont mené la première partie de la campagne (O4a) de mai 2023 à janvier 2024. O4b est prévue pour durer jusqu'au début de l'année 2025.

"L'astronomie des ondes gravitationnelles est devenue une méthode clé pour l'observation de notre Univers. Avec les données de cette campagne d'observation, nous contribuerons à élargir considérablement nos horizons et nos connaissances sur les parties les plus sombres et les plus violentes de l'Univers", déclare Patrick Brady, porte-parole de la collaboration scientifique LIGO.

"Les observatoires d'ondes gravitationnelles sont des projets d'avant-garde et, en tant que tels, ils sont confrontés à de nombreux défis. Aujourd'hui, nous sommes très heureux de nous joindre à la nouvelle campagne d'observation. La contribution de Virgo sera cruciale pour améliorer la localisation des événements multimessagers, que nous prévoyons de détecter dans les années à venir", explique Gianluca Gemme, porte-parole de Virgo et chercheur à l'INFN.

Les deux détecteurs LIGO sont entrés en service le 24 mai 2023 et ont fait une pause le 16 janvier 2024 pour des travaux de maintenance et de mise à niveau. Virgo a décidé en mai 2023 de prolonger ses activités de mise en service jusqu'en 2024 afin d'atténuer l'impact de plusieurs sources de bruit. Le détecteur KAGRA au Japon a rejoint O4a pendant un mois avant de reprendre la mise en service, dans le but de réaliser ses premières observations.

L'astronomie des ondes gravitationnelles passe à la vitesse supérieure

L'exploitation d'O4 est prévue pour durer 18 mois au total, sans compter les pauses de mise en service. Au cours des sept premiers mois et demi (O4a), les deux détecteurs de LIGO ont identifié 81 candidats à des événements gravitationnels hautement probables, conformément au taux prévu de détection d'une fusion tous les deux ou trois jours. À la fin de la période, en février 2025, avec un taux de détection similaire, le nombre total de signaux d'ondes gravitationnelles observés pourrait dépasser les 200.

L'énorme quantité de données d'O4a est encore en cours d'analyse, et les scientifiques de la collaboration scientifique LIGO-Virgo-KAGRA s'attendent à ce que O4 tienne sa promesse de faire passer l'astronomie des ondes gravitationnelles à la vitesse supérieure.

Certaines des observations astrophysiques les plus importantes seront annoncées dès les prochains mois. La sensibilité accrue des détecteurs permettra aux scientifiques de tester la théorie de la relativité générale d'Einstein et d'estimer la population d'étoiles mortes dans l'Univers local.

Améliorations scientifiques et technologiques

LIGO

Les détecteurs LIGO ont interrompu leurs observations à la fin de l'année O4a pour une maintenance programmée. Depuis, les experts de LIGO Hanford et de LIGO Livingston ont travaillé d'arrache-pied pour apporter des ajustements aux détecteurs. L'un des principaux efforts a consisté à améliorer les systèmes optiques qui "compriment" la lumière laser, ce qui permet aux détecteurs LIGO de dépasser les limites de sensibilité imposées par la mécanique quantique.


Le projet LIGO opère sur deux sites de détection: un près de Hanford dans l'État de Washington, et un autre près de Livingston en Louisiane.
Crédit: LIGO Collaboration

Un autre effort a consisté à repérer et à isoler les sources de bruit dans les nombreuses chambres à vide des salles d'expérimentation situées aux extrémités des bras de 4 kilomètres. Ces améliorations et d'autres encore garantiront que la tendance à l'amélioration de la sensibilité et de la durée d'observation démontrée tout au long de l'opération O4a, qui a vu les plages de détection des étoiles binaires à neutrons passer d'environ 140 Mpc à plus de 160 Mpc, se poursuivra au cours de l'opération O4b et des années suivantes.

Virgo

"Relever des défis fait partie intégrante des entreprises à la frontière de la science et de la technologie, comme la mise à niveau et la mise en service d'un détecteur d'ondes gravitationnelles", a déclaré Gianluca Gemme, porte-parole de Virgo et chercheur à l'INFN. "La bonne nouvelle est qu'après une longue période de mise en service et de nombreuses difficultés, nous avons réussi à améliorer la sensibilité du détecteur jusqu'à 60 Mpc, ce qui est égal aux niveaux les plus élevés atteints par Virgo dans le passé. Les travaux visant à améliorer encore la sensibilité se poursuivront pendant la période d'exploitation".

KAGRA

Le détecteur KAGRA au Japon, qui avait prévu de rejoindre O4b dès le début des observations, rejoindra la course dans les derniers mois de 2024 après s'être remis des dommages causés à plusieurs installations de l'expérience par le tremblement de terre de la péninsule de Noto (magnitude 7,6, à 120 km du site de KAGRA) le 1er janvier 2024. Bien que le tunnel, le système de vide et le système cryogénique de KAGRA n'aient subi que des dommages mineurs, 9 des 20 systèmes de suspension des miroirs doivent être réparés, ce qui entraînera un retard d'au moins six mois par rapport au plan précédent. Le groupe KAGRA terminera ces travaux de réparation dès que possible, puis reprendra la mise en service et rejoindra O4b avec une portée BNS d'environ 10 Mpc.

Les objectifs scientifiques de cette campagne d'observation

Dans les mois à venir, l'espoir est bien sûr de pouvoir détecter de nouveaux événements multimessagers, dont le suivi électromagnétique pourra être observé par d'autres télescopes sur Terre ou dans l'espace, comme dans le cas de l'observation capitale du 17 août 2017 (GW170817) de la fusion de deux étoiles à neutrons.

La présence de Virgo peut changer la donne et augmenter la performance scientifique du réseau dans la localisation de l'origine d'événements exceptionnels dans le ciel, tels que les fusions d'étoiles à neutrons, les fusions d'un trou noir avec une étoile à neutrons ou les explosions de supernovæ, ces dernières n'ayant encore jamais été observées par le biais des ondes gravitationnelles.

En outre, par rapport à la dernière série d'observations, les instruments améliorés, les nouveaux modèles de signaux encore plus précis et les techniques plus avancées de détection des ondes gravitationnelles ont permis d'obtenir de meilleurs résultats.

L'une d'entre elles pourrait correspondre à ce que l'on appelle les "ondes gravitationnelles continues", des signaux d'une fréquence presque constante et bien définie générés par des étoiles à neutrons en rotation (pulsars) présentant une distribution de masse asymétrique - une "montagne" d'à peine quelques millimètres de hauteur suffirait.

Les nouvelles données de O4 pourraient également nous aider à approfondir nos connaissances sur le fond gravitationnel primordial, causé par le chevauchement aléatoire des ondes gravitationnelles produites aux premiers stades de la naissance de l'Univers, ainsi que sur des fonds similaires produits par une combinaison de plusieurs fusions simultanées, de rafales ou de signaux continus provenant de l'ensemble de l'Univers. La détection d'un tel bruit de fond stochastique, probablement dû à des binaires de trous noirs supermassifs, a été réalisée récemment, de manière indirecte, par des réseaux de radiotélescopes tels que EPTA, InPTA, NANOGrav, PPTA et CPTA.

Un grand nombre de chercheurs de LIGO, Virgo et KAGRA travaillent intensivement à l'analyse des observations faites dans le cadre de O4a, ainsi que dans celles prévues pour les mois à venir, afin de trouver un arrière-plan de masse stellaire. De nombreuses activités dans divers domaines de recherche sont partagées par les trois collaborations et sont rendues possibles par les contributions de chacun.

Comme lors des précédentes campagnes d'observation, des alertes sur les candidats à la détection d'ondes gravitationnelles seront diffusées publiquement pendant O4b. Des informations sur la manière de recevoir et d'interpréter les alertes publiques sont disponibles à l'adresse suivante: https://wiki.gw-astronomy.org/OpenLVEM.

Observatoires d'ondes gravitationnelles

LIGO est financé par la NSF et exploité par le Caltech et le MIT, qui ont conçu et réalisé le projet. Le soutien financier au projet Advanced LIGO a été assuré par la NSF, l'Allemagne (Max Planck Society), le Royaume-Uni (Science and Technology Facilities Council) et l'Australie (Australian Research Council) ayant pris des engagements et apporté des contributions significatives au projet. Plus de 1 600 scientifiques du monde entier participent à l'effort par l'intermédiaire de la collaboration scientifique LIGO, qui comprend la collaboration GEO. La liste des autres partenaires est disponible à l'adresse suivante: http://ligo.org/partners.php.

La collaboration Virgo est actuellement composée d'environ 880 membres issus de 152 institutions de 17 pays différents (principalement européens). Le European Gravitational Observatory (EGO) héberge le détecteur Virgo près de Pise, en Italie, et est financé par le CNRS (voir encadré ci-dessous), l'Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (INFN) en Italie et l'Institut national de physique subatomique (Nikhef) aux Pays-Bas. Une liste des groupes de collaboration Virgo est disponible à l'adresse suivante: https://www.virgo-gw.eu/about/scientific-collaboration/. De plus amples informations sont disponibles sur le site web de Virgo à l'adresse suivante: https://www.virgo-gw.eu.

KAGRA est un interféromètre laser d'une longueur de bras de 3 km situé à Kamioka, Gifu, au Japon. L'institut hôte est l'Institut de recherche sur les rayons cosmiques (ICRR) de l'Université de Tokyo, et le projet est co-hébergé par l'Observatoire astronomique national de l'Université de Tokyo et l'Organisation de recherche sur les accélérateurs de haute énergie (KEK).

La collaboration KAGRA est composée de plus de 400 membres issus de 128 instituts dans 17 pays/régions. Les informations de KAGRA destinées au grand public sont disponibles à l'adresse suivante: https://gwcenter.icrr.u-tokyo.ac.jp/en/. Les ressources destinées aux chercheurs sont accessibles ici: http://gwwiki.icrr.u-tokyo.ac.jp/JGWwiki/KAGRA.

Virgo et les laboratoires français

L'IN2P3 est impliqué dans la collaboration européenne Virgo à travers dix de ses laboratoires et plateformes nationales: l'APC (Paris), le CC-IN2P3 (Lyon), le GANIL (Caen), IJCLab (Orsay), l'IPHC (Strasbourg), l'IP2I (Lyon), le L2IT (Toulouse), le LAPP (Annecy), le LMA (Lyon), le LPC Caen et Subatech (Nantes).

Parmi les contributions techniques de l'institut au projet, on compte le développement des revêtements optiques des miroirs et des systèmes de métrologie optique, la conception et la réalisation du système d'acquisition des données et de contrôle, ou encore le développement du système de contrôle du vide et des chambres à vides de l'interféromètre. Par ailleurs, de nombreux scientifiques de l'IN2P3 participent à la mise en marche de l'interféromètre, à l'acquisition et à l'analyse des événements gravitationnels ainsi qu'à leur étude scientifique.

Outre les laboratoires IN2P3, plusieurs autres instituts français participent à cette aventure européenne, dont Artemis (Nice), l'ILM (Lyon), l'INSP (Paris), le Laboratoire Navier (Paris) et le LKB (Paris), l'institut Fresnel (Marseille), le LAUM (Le Mans).

L'exploitation de l'interféromètre Virgo est assurée par le consortium EGO (CNRS, INFN et Nikhef). EGO a pour principal objectif d'assurer le fonctionnement de Virgo, sa maintenance, son exploitation et son évolution.
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