Plus de 100 trous noirs détectés entre le 1er avril et le 1er octobre 2019

Publié par Redbran le 01/11/2020 à 13:00
Source: CNRS IN2P3
Nouvelle édition du catalogue LIGO-Virgo de sources d'ondes gravitationnelles: plus de 100 trous noirs détectés entre le 1er avril et le 1er octobre 2019

La classification et l'analyse finale des 39 événements détectés par Virgo et LIGO (LIGO (pour Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory) est un projet d'interféromètre américain, destiné à détecter les ondes gravitationnelles.) lors de la prise de données "O3a" du 1er avril au 1er octobre 2019, ont été rendues publiques le jeudi 29 octobre 2020 sur le serveur de prépublications arXiv. Vingt-six de ces événements ont été détectés en temps (Le temps est un concept développé par l'être humain pour appréhender le changement dans le monde.) réel et ont fait l'objet (De manière générale, le mot objet (du latin objectum, 1361) désigne une entité définie dans un espace à trois dimensions, qui a une fonction...) d'alertes publiques tandis que les treize autres sont nouveaux. En plus de la nouvelle édition du catalogue d'événements LIGO-Virgo, trois articles ont été mis en ligne simultanément: propriétés astrophysiques des sources du catalogue, tests de la relativité générale (La relativité générale, fondée sur le principe de covariance générale qui étend le principe de relativité aux référentiels...) et recherche (La recherche scientifique désigne en premier lieu l’ensemble des actions entreprises en vue de produire et de développer les connaissances scientifiques. Par extension métonymique, la...) de coïncidences entre ondes gravitationnelles et sursauts gamma. La plupart des sources O3a sont des fusions de trous noirs ; l'étude de leurs caractéristiques remet en question certains modèles théoriques et ouvre de nouvelles perspectives. Une probable fusion (En physique et en métallurgie, la fusion est le passage d'un corps de l'état solide vers l'état liquide. Pour un corps pur, c’est-à-dire pour une substance constituée de molécules toutes identiques, la...) d'un système binaire (Le système binaire est un système de numération utilisant la base 2. On nomme couramment bit (de l'anglais binary digit, soit « chiffre...) d'étoiles à neutrons et deux possibles systèmes "hybrides" - formés d'un trou noir (En astrophysique, un trou noir est un objet massif dont le champ gravitationnel est si intense qu’il empêche toute forme de matière ou de rayonnement de s’en échapper (à l'exception notable de la...) et d'une étoile (Une étoile est un objet céleste émettant de la lumière de façon autonome, semblable à une énorme boule de plasma comme le Soleil, qui est l'étoile la plus proche de...) à neutrons - figurent également au tableau (Tableau peut avoir plusieurs sens suivant le contexte employé :) de chasse de O3a.


Le tableau de chasses de GWTC-2: la collection des masses d'astres compacts très divers détectés en ondes gravitationnelles. Le graphique inclut des trous noirs (en bleu), des étoiles à neutrons (en orange) ainsi que des astres dont la nature est incertaine (en gris). Chaque fusion d'un système binaire compact est représentée par trois astres sur la figure: les deux présents initialement et qui fusionnent ainsi que l'astre résultant de la fusion.
Crédits: LIGO Virgo Collaboration / Frank Elavsky, Aaron Geller / Northwestern.

Il aura fallu aux scientifiques membres des Collaborations Virgo et LIGO un an d'effort et des analyses des données complexes pour compléter l'étude de tous les signaux d'ondes gravitationnelles enregistrés par le détecteur (Un détecteur est un dispositif technique (instrument, substance, matière) qui change d'état en présence de l'élément ou de la situation pour lequel il a été...) Advanced Virgo (installé à l'European Gravitational Observatory, EGO, en Italie) et les deux instruments Advanced LIGO (construits aux Etats-Unis). La période commune de prise de données (ou "run") "O3a" a débuté le 1er avril 2019 pour se terminer le 1er octobre suivant. Les 39 événements publiés se répartissent en trois catégories: 36 fusions de systèmes binaires de trous noirs, une probable fusion de deux étoiles à neutrons et deux systèmes probablement "hybrides", formés d'un trou noir et d'une étoile à neutrons. Quatre de ces événements ont déjà fait l'objet d'une publication séparée, justifiée par leur caractère remarquable. Mais c'est bien la nouvelle édition du catalogue, publiée aujourd'hui, qui donne pour la première fois un panorama complet des très nombreuses détections et des propriétés de leurs sources. Elle représente une somme d'informations et de données sur la physique (La physique (du grec φυσις, la nature) est étymologiquement la « science de la nature ». Dans un sens général et ancien, la physique désigne la connaissance...) des trous noirs qu'on aurait eu peine à imaginer il y a encore quelques années.

"Depuis la fin du run O2 en août 2017, des efforts soutenus et variés ont été faits pour remplacer et optimiser de nombreux composants du détecteur Virgo, afin d'améliorer largement sa sensibilité à toutes les fréquences", s'enthousiasme Ilaria Nardecchia, chercheuse à l'Université (Une université est un établissement d'enseignement supérieur dont l'objectif est la production du savoir (recherche), sa conservation et sa transmission (études...) de Rome Tor Vergata et membre de la Collaboration Virgo. "Nous récoltons aujourd'hui les fruits de notre travail collectif puisque la sensibilité de l'instrument a doublé !". En effet, entre la fin de l'été 2017 et le printemps (Le printemps (du latin primus, premier, et tempus, temps, cette saison marquant autrefois le début de l'année) est l'une des quatre saisons...) 2019, les trois détecteurs LIGO-Virgo ont vu leur sensibilité s'améliorer très largement. La distance jusqu'à laquelle une source donnée (Dans les technologies de l'information (TI), une donnée est une description élémentaire, souvent codée, d'une chose, d'une transaction d'affaire, d'un événement, etc.) (par exemple une fusion de deux étoiles à neutrons, la source de référence la plus couramment utilisée) était détectable a cru également, ce qui a entraîné une augmentation spectaculaire du volume (Le volume, en sciences physiques ou mathématiques, est une grandeur qui mesure l'extension d'un objet ou d'une partie de l'espace.) d'Univers (L'Univers est l'ensemble de tout ce qui existe et les lois qui le régissent.) observé (proportionnel au cube (En géométrie euclidienne, un cube est un prisme dont toutes les faces sont carrées. Les cubes figurent parmi les solides les plus remarquables de l'espace. C'est un des cinq solides de...) de la distance): par exemple d'un facteur six pour Virgo entre la fin de O2 et le début de O3a.

"Les observations effectuées par les détecteurs Advanced Virgo et Advanced LIGO ont dépassé nos attentes", souligne Ed Porter, directeur de recherche CNRS (Le Centre national de la recherche scientifique, plus connu sous son sigle CNRS, est le plus grand organisme de recherche scientifique public français (EPST).) au laboratoire APC (Paris) et membre de la Collaboration Virgo. "En plus d'écrire une nouvelle page de l'exploration (L'exploration est le fait de chercher avec l'intention de découvrir quelque chose d'inconnu.) du cosmos par l'humanité, nous voyons maintenant des sources dont nous n'étions pas sûrs de l'existence auparavant ou qui vont au-delà de notre compréhension de l'évolution des étoiles. Cinq ans à peine après la première détection des ondes gravitationnelles nous pouvons dire que l'astronomie (L’astronomie est la science de l’observation des astres, cherchant à expliquer leur origine, leur évolution, leurs...) gravitationnelle est maintenant une réalité tangible."

Les détections de signaux d'ondes gravitationnelles permettent pour la première fois d'observer de près la dynamique (Le mot dynamique est souvent employé désigner ou qualifier ce qui est relatif au mouvement. Il peut être employé comme :) des cataclysmes que sont les fusions de trous noirs ou d'étoiles à neutrons, lesquelles convertissent en bouffées d'ondes gravitationnelles l'équivalent en énergie (Dans le sens commun l'énergie désigne tout ce qui permet d'effectuer un travail, fabriquer de la chaleur, de la lumière, de produire un mouvement.) de plusieurs masses solaires. On peut ainsi étudier, comme jamais jusqu'à maintenant, la physique des trous noirs, les phénomènes cosmiques qui leur donnent naissance et même les caractéristiques de leurs principales populations. En fait, les données du nouveau catalogue posent de sérieuses questions sur la validité de certains scénarios de formation ou modèles astrophysiques, parmi ceux qui semblaient jusqu'alors les plus plausibles.

En particulier, les masses des trous noirs recensés dans le catalogue O3a remettent en cause certaines limites (théoriques comme expérimentales) pour les gammes de masse (Le terme masse est utilisé pour désigner deux grandeurs attachées à un corps : l'une quantifie l'inertie du corps (la masse inerte) et l'autre la contribution du corps à la force de gravitation (la masse...) des populations de trous noirs. Par exemple, certaines détections indiquent la présence d'astres compacts (de nature inconnue: trous noirs ou étoiles à neutrons) exactement dans le vide (Le vide est ordinairement défini comme l'absence de matière dans une zone spatiale.) laissé par les observations astronomiques entre les étoiles à neutrons les plus lourdes et les trous noirs les plus légers. Cet intervalle vide supposé pourrait donc être plus étroit qu'imaginé, voire ne pas exister du tout (Le tout compris comme ensemble de ce qui existe est souvent interprété comme le monde ou l'univers.). D'autres trous noirs détectés ont une masse comprise entre 65 et 120 masses solaires, un intervalle interdit par les modèles d'évolution stellaire (Stellaria est un genre de plantes herbacées annuelles ou vivaces, les stellaires, de la famille des Caryophyllaceae. Il comprend près de 90 espèces réparties à...). D'après ces derniers, les étoiles les plus lourdes sont, au-delà d'un certain seuil en masse, totalement détruites lors de l'explosion (Une explosion est la transformation rapide d'une matière en une autre matière ayant un volume plus grand, généralement sous forme de gaz. Plus cette...) en supernova (Une supernova est l'ensemble des phénomènes conséquents à l'explosion d'une étoile, qui s'accompagne d'une augmentation brève mais fantastiquement grande de...) à cause d'un processus appelé "instabilité de paire (On dit qu'un ensemble E est une paire lorsqu'il est formé de deux éléments distincts a et b, et il s'écrit alors :)": elles ne laissent derrière elles que du gaz (Un gaz est un ensemble d'atomes ou de molécules très faiblement liés et quasi-indépendants. Dans l’état gazeux, la matière n'a pas de forme propre ni de volume propre : un gaz tend à...) et de la poussière interstellaire. L'existence de trous noirs dans cette gamme de masse suggère que d'autres mécanismes interviennent dans la formation des trous noirs (En astrophysique, un trou noir est un objet massif dont le champ gravitationnel est si intense qu’il empêche toute forme de matière ou de rayonnement de s’en échapper. De tels objets...), comme la fusion de trous noirs plus petits ou la collision (Une collision est un choc direct entre deux objets. Un tel impact transmet une partie de l'énergie et de l'impulsion de l'un des corps au second.) d'étoiles massives. Elle pourrait aussi indiquer la nécessité de revoir notre compréhension de l'évolution d'une étoile en fin de vie (La vie est le nom donné :).

La publication du catalogue O3a est l'aboutissement d'un travail long et minutieux qui mêle calibration du détecteur, caractérisation des données, analyses rigoureuses, etc. et qui se déroule en plusieurs phases successives. La dernière étape demande en particulier de disposer du lot de données final, à partir duquel les paramètres des systèmes binaires (masses, moments angulaires, distance) sont estimés, ainsi que leurs incertitudes. Les 39 nouveaux événements O3a se répartissent en deux catégories: 26 identifiés en temps réel et qui ont fait l'objet d'alertes publiques et 13 qui ont été trouvés lors de la ré-analyse finale des données. Ils s'ajoutent aux 11 déjà publiés par LIGO et Virgo pour les runs précédents (O1 et O2).

En plus de la nouvelle édition du catalogue d'événements LIGO-Virgo, trois autres articles ont été mis en ligne simultanément sur arXiv: l'analyse globale des propriétés astrophysiques des sources d'ondes gravitationnelles ; de nouveaux tests de la théorie de la relativité (Cet article traite de la théorie de la relativité à travers les âges. En physique, la notion de relativité date de Galilée. Les travaux d'Einstein en ont fait un...) générale ; et enfin la recherche de signaux d'ondes gravitationnelles en coïncidence avec des sursauts gamma.

"Ces articles sont très importants et marquent une étape supplémentaire sur la route (Le mot « route » dérive du latin (via) rupta, littéralement « voie brisée », c'est-à-dire creusée dans la roche, pour ouvrir le chemin.) longue et excitante que nous suivons depuis quelques années", conclut Giovanni Losurdo, chercheur (Un chercheur (fem. chercheuse) désigne une personne dont le métier consiste à faire de la recherche. Il est difficile de bien cerner le métier de chercheur tant...) INFN et porte-parole de la Collaboration Virgo. "Nous attendons déjà avec impatience les résultats de l'analyse finale des données de la seconde ( Seconde est le féminin de l'adjectif second, qui vient immédiatement après le premier ou qui s'ajoute à quelque chose de nature identique. ...) moitié du run O3 ("O3b": 1er novembre 2019 - 27 mars 2020). Le grand nombre (La notion de nombre en linguistique est traitée à l’article « Nombre grammatical ».) d'événements qui restent à étudier promet une troisième édition du catalogue au moins aussi excitante que celle publiée aujourd'hui. En parallèle, nous faisons tout notre possible pour améliorer encore de manière significative le détecteur Virgo, afin de faire progresser sa sensibilité en vue (La vue est le sens qui permet d'observer et d'analyser l'environnement par la réception et l'interprétation des rayonnements lumineux.) de la prochaine prise de données, O4, prévue courant 2022."

Pour en savoir plus

Sur la publication du nouveau catalogue:
- La version française du "Science (La science (latin scientia, « connaissance ») est, d'après le dictionnaire Le Robert, « Ce que l'on sait pour l'avoir appris, ce que l'on tient pour vrai au sens large. L'ensemble de...) summary" qui accompagne la mise à jour (Une mise à jour, souvent abrégé en MAJ ou MàJ, est l'action qui consiste à mettre « à jour », ou bien « à niveau », un outil informatique, un...) du catalogue
- La nouvelle édition du catalogue de signaux, GWTC-2

Sur la science autour (Autour est le nom que la nomenclature aviaire en langue française (mise à jour) donne à 31 espèces d'oiseaux qui, soit appartiennent au genre Accipiter, soit constituent les 5 genres Erythrotriorchis,...) des sources d'ondes gravitationnelles:
- L'analyse globale des propriétés astrophysiques des sources d'ondes gravitationnelles
- Nouveaux tests de la théorie (Le mot théorie vient du mot grec theorein, qui signifie « contempler, observer, examiner ». Dans le langage courant, une théorie est une idée ou une connaissance spéculative, souvent basée sur...) de la relativité générale
- Recherche de signaux d'ondes gravitationnelles en coïncidence avec des sursauts gamma


Cette animation montre la localisation sur la sphère céleste (La sphère céleste est une sphère imaginaire de rayons quelconques et dont le centre est occupé par la Terre. Ce concept astronomique, hérité de l'antiquité, permet de...) de chacune des détections LIGO-Virgo incluses dans le catalogue O3a. Chaque localisation -- figurée par les régions ombrées sur la carte du ciel (Le ciel est l'atmosphère de la Terre telle qu'elle est vue depuis le sol de la planète.) -- est basée sur les informations fournies par les trois détecteurs du réseau (Un réseau informatique est un ensemble d'équipements reliés entre eux pour échanger des informations. Par analogie avec un filet (un réseau est un « petit rets », c'est-à-dire un petit filet), on appelle nœud (node)...). En haut à gauche, on trouve le jour (Le jour ou la journée est l'intervalle qui sépare le lever du coucher du Soleil ; c'est la période entre deux nuits, pendant laquelle les rayons du Soleil éclairent le ciel. Son...) et l'heure (L’heure est une unité de mesure du temps. Le mot désigne aussi la grandeur elle-même, l'instant (l'« heure qu'il est »), y compris en sciences (« heure solaire » employé...) (en temps universel (Le Temps universel (TU, ou en anglais UT) est une échelle de temps basée sur la rotation de la Terre. Il s'agit de la prolongation moderne du temps moyen de Greenwich (GMT, Greenwich Mean Time), qui...), "UTC") où le signal ( Termes généraux Un signal est un message simplifié et généralement codé. Il existe sous forme d'objets ayant des formes particulières. Les signaux lumineux...) d'onde gravitationnelle (Dans le cadre de la relativité générale les ondes gravitationnelles sont définies comme les perturbations de la métrique qui...) est arrivé sur Terre (La Terre est la troisième planète du Système solaire par ordre de distance croissante au Soleil, et la quatrième par taille et par masse croissantes. C'est la plus grande et la plus massive des quatre planètes telluriques,...), l'identifiant (En informatique, on appelle identifiants (également appelé parfois en anglais login) les informations permettant à une personne de s'identifier auprès d'un système.) unique de l'événement et le temps (en milliards d'années, "Gyr" en anglais) mis par l'onde (Une onde est la propagation d'une perturbation produisant sur son passage une variation réversible de propriétés physiques locales. Elle transporte de l'énergie sans transporter de matière.) gravitationnelle pour arriver sur Terre depuis l'endroit où elle a été émise dans l'Univers. Plus la région ombrée est petite et mieux la source du signal a été localisée. Déterminer avec précision sa position dans le ciel est une étape cruciale pour permettre les recherches de contreparties, optique (L'optique est la branche de la physique qui traite de la lumière, du rayonnement électromagnétique et de ses relations avec la vision.) ou en neutrinos.
Crédits: Giuseppe Greco / LIGO / Virgo.

Fusion d'étoiles à neutrons et de trous noirs détectés en ondes gravitationnelles.
L'animation montre tous les trous noirs et étoiles à neutrons, détectés par LIGO et Virgo et comparés à ceux identifiés avec des signaux électromagnétiques (EM).

À propos des collaborations Virgo et Ligo

La collaboration Virgo est actuellement composée d'environ 580 scientifiques dans 13 pays (Pays vient du latin pagus qui désignait une subdivision territoriale et tribale d'étendue restreinte (de l'ordre de quelques centaines de km²), subdivision de la civitas...) européens. L'Observatoire gravitationnel européen (EGO) héberge le détecteur Virgo près de Pise en Italie, et est financé par le Centre national de la recherche scientifique (La recherche scientifique désigne en premier lieu l’ensemble des actions entreprises en vue de produire et de développer les connaissances...) (CNRS) en France, l'Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (INFN) en Italie et Nikhef aux Pays-Bas. Une liste des équipes impliquées dans la collaboration Virgo est disponible sur http://public.virgo-gw.eu/the-virgo-collaboration.

Ligo est financé par la National Science Foundation (NSF) et géré par Caltech et le MIT, qui ont conçu Ligo et dirigé le projet (Un projet est un engagement irréversible de résultat incertain, non reproductible a priori à l’identique, nécessitant le concours et l’intégration...). Le financement du projet Advanced Ligo est assuré par la NSF, avec des contributions importantes de l'Allemagne (Max Planck Gesellschaft), du Royaume-Uni (Science and Technology Facilities Council) et de l'Australie (L’Australie (officiellement Commonwealth d’Australie) est un pays de l’hémisphère Sud dont la superficie couvre la plus grande partie de l'Océanie....) (Australian Research Council - OzGrav). Environ 1 300 scientifiques du monde (Le mot monde peut désigner :) entier sont regroupés au sein de la collaboration scientifique (Un scientifique est une personne qui se consacre à l'étude d'une science ou des sciences et qui se consacre à l'étude d'un domaine avec la rigueur et les...) Ligo, qui comprend la collaboration GEO (Geo était une marque de voiture qui appartenait à General Motors. La marque est apparue en 1989 aux États-Unis et elle fut absorbée par Chevrolet en 1998. À l'origine, Geo avait été formé pour rivaliser...). Les autres partenaires sont recensés sur https://my.ligo.org/census.php (PHP (sigle de PHP: Hypertext Preprocessor), est un langage de scripts libre principalement utilisé pour produire des pages Web dynamiques via un serveur HTTP, mais pouvant également...).

Les publications scientifiques annonçant cette observation (L’observation est l’action de suivi attentif des phénomènes, sans volonté de les modifier, à l’aide de moyens d’enquête et d’étude appropriés. Le plaisir procuré explique la très grande participation des...) sont cosignées par 99 scientifiques de huit équipes françaises faisant partie de la collaboration Virgo:
- le laboratoire Astroparticule et cosmologie (La cosmologie est la branche de l'astrophysique qui étudie l'Univers en tant que système physique.) (CNRS/Université de Paris) ;
- le laboratoire Astrophysique (L’astrophysique (du grec astro = astre et physiqui = physique) est une branche interdisciplinaire de l'astronomie qui concerne principalement la physique et l'étude des propriétés des objets de l'univers...) relativiste, théories, expériences, métrologie (La métrologie est la science de la mesure au sens le plus large.), instrumentation (Le mot instrumentation est employé dans plusieurs domaines :), signaux (CNRS/Observatoire de la Côte d'Azur/Université Côte d'Azur) ;
- l'Institut (Un institut est une organisation permanente créée dans un certain but. C'est habituellement une institution de recherche. Par exemple, le Perimeter Institute for Theoretical Physics est un tel institut.) de physique des 2 infinis de Lyon (CNRS/Université Claude Bernard (Claude Bernard, né le 12 juillet 1813 à Saint-Julien (Rhône) et mort le 10 février 1878 à Paris, est un médecin et physiologiste français.) Lyon 1) ;
- l'Institut pluridisciplinaire Hubert Curien (Hubert Curien (30 octobre 1924, Cornimont - 6 février 2005, Loury) est un cristallographe français, ministre de la recherche de 1984 à 1986.) (CNRS/Université de Strasbourg) ;
- l'Institut lumière (La lumière est l'ensemble des ondes électromagnétiques visibles par l'œil humain, c'est-à-dire comprises dans des longueurs d'onde de 380nm (violet) à...) matière (La matière est la substance qui compose tout corps ayant une réalité tangible. Ses trois états les plus communs sont l'état solide, l'état liquide,...) (CNRS/Université Claude Bernard Lyon 1) ;
- le Laboratoire d'Annecy de physique des particules (La physique des particules est la branche de la physique qui étudie les constituants élémentaires de la matière et les rayonnements, ainsi que leurs interactions. On l'appelle aussi parfois...) (CNRS/Université Savoie Mont Blanc) ;
- le Laboratoire Kastler Brossel (CNRS/Sorbonne Université/ENS-PSL/Collège de France) ;
- le Laboratoire de physique des 2 infinis - Irène Joliot-Curie (Irène Joliot-Curie (12 septembre 1897 à Paris - 17 mars 1956 à Paris) est une chimiste, physicienne et femme politique française. Elle est la fille de...) (CNRS/Université Paris-Saclay).

Des scientifiques co-signataires des publications sont associés aux équipes ci-dessus et font partie des laboratoires suivants: Institut Foton (CNRS/Université Rennes 1/Insa Rennes), laboratoire Lagrange (CNRS/Université Côte d'Azur/Observatoire Côte d'Azur), Laboratoire de physique et d'étude des matériaux (Un matériau est une matière d'origine naturelle ou artificielle que l'homme façonne pour en faire des objets.) (CNRS/Sorbonne Université/ESPCI Paris).
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