Un premier mois réussi pour le run O3 de LIGO et Virgo
Publié par Adrien le 05/05/2019 à 08:00
Source: CNRS IN2P3
Le premier mois de la nouvelle phase de recherche d'ondes gravitationnelles (OGs) menée par LIGO et Virgo a déjà offert aux scientifiques des deux collaborations une riche moisson d'observations, dont l'interprétation va demander beaucoup de travail. Cette prise de données (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.), la campagne (La campagne, aussi appelée milieu rural désigne l'ensemble des espaces cultivés habités, elle s'oppose aux concepts de ville, d'agglomération ou de milieu urbain. La campagne est...) d'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...) (ou “run”) O3, a démarré le 1er avril 2019 et devrait durer une année (Une année est une unité de temps exprimant la durée entre deux occurrences d'un évènement lié à la révolution de la Terre autour du Soleil.) entière. Les améliorations de la sensibilité des détecteurs et le fait que les trois instruments LIGO-Virgo fonctionnent de concert depuis le début du run offrent des perspectives sans précédent. De plus, pour la première fois, les alertes LIGO-Virgo sont publiques. Elles sont envoyées rapidement après la détection en temps (Le temps est un concept développé par l'être humain pour appréhender le changement dans le monde.) réel de possibles signaux transitoires d'OGs. Cette stratégie (La stratégie - du grec stratos qui signifie « armée » et ageîn qui signifie « conduire » - est :) a pour but de faciliter le suivi de ces observations par d'autres observatoires et augmente encore les perspectives déjà prometteuses de l'astronomie (L’astronomie est la science de l’observation des astres, cherchant à expliquer leur origine, leur évolution, leurs propriétés physiques et chimiques. Elle ne doit pas être confondue avec la...) multi-messagers.

“Je n'aurais pas pu rêver d'un meilleur moment pour être de quart !”, s'exclame Olivier Minazzoli, 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 les domaines de recherche sont diversifiés et impliquent d'importantes...) au Centre 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 méthodes scientifiques.) de Monaco, actuellement détaché au laboratoire ARTEMIS de Nice (Observatoire de la Côte d'Azur), et qui était en charge (La charge utile (payload en anglais ; la charge payante) représente ce qui est effectivement transporté par un moyen de transport donné, et qui donne lieu à un paiement ou un bénéfice non pécuniaire pour être transporté.) du suivi de la qualité des données de Virgo la semaine dernière. “J'espérais au mieux voir une possible 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...) de deux trous noirs, certainement pas deux signaux candidats impliquant potentiellement des étoiles à neutrons, dont peut-être la première fusion entre 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 la Terre.) à neutrons et 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...) jamais observée!”

Cinq alertes publiques ont été émises par LIGO (LIGO (pour Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory) est un projet d'interféromètre américain, destiné à détecter les ondes...) et Virgo depuis le 1er avril: elles peuvent être consultées librement via le site internet (Internet est le réseau informatique mondial qui rend accessibles au public des services variés comme le courrier électronique, la messagerie instantanée et le World Wide Web, en utilisant le protocole de communication IP...) Gravitational Wave Candidate Event Database. Trois d'entre-elles ont été classées provisoirement dans la catégorie des fusions de couples de trous noirs (en abrégé “BBH”, pour “Binary Black Holes” en anglais). Des analyses supplémentaires, actuellement en cours, sont nécessaires pour compléter leur étude. Si ces détections sont confirmées, elles s'ajouteront au catalogue des 10 fusions BBH détectées par LIGO et Virgo lors des précédentes campagnes de prise de données et contribueront à améliorer notre compréhension des processus de formation de ces objets extrêmement compacts, ainsi que de la nature de la gravitation (La gravitation est une des quatre interactions fondamentales de la physique.), de l'espace et du temps.

Les deux autres événements demandent des études plus poussées, menées tant par les équipes de LIGO et Virgo que par une communauté scientifique plus large. Ces signaux semblent issus de la fusion de systèmes binaires contenant au moins une étoile à neutrons (“NS”, pour “Neutron Star” en anglais), la forme de matière (La matière est la substance qui compose tout corps ayant une réalité tangible. Ses trois états les plus communs sont l'état solide,...) la plus dense que nous connaissons dans l'Univers (L'Univers est l'ensemble de tout ce qui existe et les lois qui le régissent.).

La probable fusion 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 binaire ») les chiffres de la numération binaire. Ceux ci ne...) d'étoiles à neutrons (“BNS” pour “Binary Neutron (Le neutron est une particule subatomique. Comme son nom l'indique, le neutron est neutre et n'a donc pas de charge électrique (ni positive, ni négative). Les neutrons, avec les protons, sont les constituants du noyau de l'atome. Pour...) Star”) a été observée jeudi 25 avril vers 8h18 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 était le temps solaire moyen au...) (10h18 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...) de Paris): cet événement a été baptisé “S190425z - voir ce lien pour plus d'informations. Ce candidat viendrait à la suite du fameux événement GW170817, la première fusion d'un BNS, détectée il y a deux ans et qui a marqué la naissance de l'astronomie multi-messagers avec des OGs. La 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 recherche scientifique...) de contreparties électromagnétiques du candidat S190425z se poursuit. C'est un défi bien plus difficile que dans le cas de GW170817 car la nouvelle source est quatre fois plus lointaine et sa localisation dans le ciel (Le ciel est l'atmosphère de la Terre telle qu'elle est vue depuis le sol de la planète.) fournie par LIGO et Virgo est bien plus incertaine. En effet, 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 sont employés depuis la nuit des temps par les...) du candidat S190425z a été enregistré alors que seulement deux détecteurs sur trois fonctionnaient: LIGO-Livingston et Virgo.


Simulation d'une fusion d'étoiles à neutrons binaires. En haut à gauche, dans le sens des aiguilles d'une montre: les deux étoiles à neutrons (dessinées en blanc) s'enroulent en spirale (En mathématiques, une spirale est une courbe qui commence en un point central puis s'en éloigne de plus en plus, en même temps qu'elle tourne autour.) l'une 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...) de l'autre, entrent en contact et se fondent en une étoile à neutrons lourds. Une partie du matériau (Un matériau est une matière d'origine naturelle ou artificielle que l'homme façonne pour en faire des objets. C'est donc une matière de base...) (avec une densité (La densité ou densité relative d'un corps est le rapport de sa masse volumique à la masse volumique d'un corps pris comme...) codée par couleur) pollue l'environnement (L'environnement est tout ce qui nous entoure. C'est l'ensemble des éléments naturels et artificiels au sein duquel se déroule la vie humaine. Avec les enjeux écologiques actuels, le terme environnement tend actuellement à prendre une...) environnant et forme un épais disque (Le mot disque est employé, aussi bien en géométrie que dans la vie courante, pour désigner une forme ronde et régulière, à l'image d'un palet — discus en latin.) d'accrétion (L'accrétion désigne en astrophysique, en géologie et en météorologie l'accroissement par apport de matière.) autour de 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 précise, et qui peut être désigné par une étiquette verbale. Il est défini par les...) résiduel. L'ensemble (En théorie des ensembles, un ensemble désigne intuitivement une collection d’objets (les éléments de l'ensemble), « une multitude qui peut être comprise comme un tout », comme...) de la séquence couvre environ 0,03 s d'évolution. Dans la plupart des cas, l'étoile à neutrons lourde ne peut survivre beaucoup plus longtemps à sa propre gravité (La gravitation est une des quatre interactions fondamentales de la physique.) et finit par s'effondrer dans un trou noir.Crédits: Ciolfi, Giacomazzo (Virgo Collaboration), Kastaun (LIGO Scientific Collaboration)

L'autre signal potentiel impliquant une étoile à neutrons a été détecté le lendemain 26 avril vers 15h22 temps universel (17h22 heure de Paris): les informations sur ce candidat, S190426c, sont disponibles ici. Si les trois détecteurs LIGO-Virgo prenaient des données à ce moment-là, le signal détecté est plus faible et il est donc possible qu'il ne vienne pas du cosmos. Néanmoins, S190426c est un candidat très intéressant car sa forme suggère qu'il a été émis par un système double mixte, la fusion d'une étoile à neutrons avec un trou noir (“BH”) plus massif (Le mot massif peut être employé comme :) - un événement “NS-BH”. Si cette classification se confirme, ce serait une autre découverte sans précédent. L'étude détaillée du candidat S190426c va demander du temps et s'annonce passionnante pour les équipes de LIGO et de Virgo.

“Je suis enthousiasmée par la perspective d'utiliser les OGs et les observations multi-messagers pour en apprendre davantage sur la nature de la matière dont sont faites les étoiles à neutrons, aux densités les plus extrêmes - une cuillère à café de cette matière pèse jusqu'à un milliard (Un milliard (1 000 000 000) est l'entier naturel qui suit neuf cent quatre-vingt-dix-neuf millions neuf cent quatre-vingt-dix-neuf mille neuf cent quatre-vingt-dix-neuf...) de tonnes”, ajoute Tanja Hinderer, post-doctorante 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 supérieures). Aux États-Unis, au moment...) d'Amsterdam (Pays-Bas). “Les OGs nous renseignent sur les propriétés des astres qui fusionnent tandis que les possibles contreparties (ondes électromagnétiques ou émissions de neutrinos) donnent des informations sur l'astre résultant de la fusion. Combiner les informations provenant de différents messagers est la clef (Au sens propre, la clef ou clé (les deux orthographes sont correctes) est un dispositif amovible permettant d'actionner un mécanisme.) pour comprendre ces phénomènes extrêmes. Les alertes publiques rendent passionnantes la recherche de contreparties multi-messagers ; je suis très curieuse de voir les signatures variées laissées par de possibles événements BNS et NS-BH pendant le run O3 et les informations que nous pourrons en retirer.

“La campagne d'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...) actuelle LIGO-Virgo se révèle déjà la plus intéressante de toutes”, ajoute David Reize, le directeur exécutif de LIGO à Caltech. “Nous avons des indications d'une possible observation d'un trou noir avalant une étoile à neutrons ─ ce qui serait une première. Si ce résultat se confirme, LIGO et Virgo auront touché le gros lot ! Mais nous savons que chaque annonce d'une nouvelle détection est précédée par une phase (Le mot phase peut avoir plusieurs significations, il employé dans plusieurs domaines et principalement en physique :) intense de travail méticuleux ─ il faut tout (Le tout compris comme ensemble de ce qui existe est souvent interprété comme le monde ou l'univers.) vérifier et revérifier encore ─ et donc nous verrons bien ce que les données nous révèleront.”

“Utiliser les données de trois détecteurs très différents est un défi de tous les instants”, souligne Florian Aubin, doctorant (Un doctorant est un chercheur débutant s'engageant, sous la supervision d'un directeur de thèse, dans un projet de recherche sur une durée variable...) à l'Université de Savoie-Mont Blanc (Le blanc est la couleur d'un corps chauffé à environ 5 000 °C (voir l'article Corps noir). C'est la sensation visuelle obtenue avec un spectre lumineux continu, d'où l'image que l'on en...) en France. “Mais c'est aussi l'opportunité d'identifier la position de la source d'OGs dans le ciel et de chercher des contreparties électromagnétiques ou en neutrinos. Je suis très motivé par la campagne de prise de données actuelle. Les deux candidats impliquant des NS et les trois fusions potentielles de BBH, tous observés en moins d'un mois (Le mois (Du lat. mensis «mois», et anciennement au plur. «menstrues») est une période de temps arbitraire.), sont la promesse d'une année entière remplie de découvertes intéressantes. En ce qui me concerne, c'est la récompense de deux années de travail acharné.”

Avant le démarrage de la prise de données O3, les trois instruments 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...) ─ les deux détecteurs Advanced LIGO installés à Livingston et Hanford aux Etats-Unis et 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 spécifiquement conçu.) Advanced Virgo, en fonctionnement à Cascina près de Pise en Italie ─ ont bénéficié d'une intense campagne d'améliorations. Ainsi, la sensibilité d'Advanced Virgo a presque doublé par rapport au run d'observation O2 en août 2017.

“Il a fallu 18 mois de travail acharné à partir de septembre 2017 pour améliorer la sensibilité du détecteur Advanced Virgo et le rendre moins vulnérable aux perturbations venant de l'extérieur”, résume Irene Fiori, physicienne à l'European Gravitational Observatory (EGO, le laboratoire d'accueil du détecteur Virgo) et responsable des études portant sur les bruits induits par l'environnement autour de Virgo. “C'est le résultat d'un travail collectif impliquant des experts de domaines très variés: faisceaux laser (Un laser est un appareil émettant de la lumière (rayonnement électromagnétique) amplifiée par émission stimulée. Le terme laser provient...) de très haute qualité, alignement de haute précision des systèmes optiques, isolation sismique, compensation d'effets thermiques, etc. Et même la production d'états compressés de la 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...) !”

En moyenne (La moyenne est une mesure statistique caractérisant les éléments d'un ensemble de quantités : elle exprime la grandeur qu'auraient chacun des membres de l'ensemble s'ils étaient tous identiques sans...), Advanced Virgo peut maintenant observer de manière fiable la fusion d'un système BNS jusqu'à une distance d'environ 160 millions d'années-lumière, et jusqu'à environ deux milliards d'années-lumière dans le cas d'une fusion de trous noirs pesant chacun de l'ordre de 30 fois la 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...) du Soleil (Le Soleil (Sol en latin, Helios ou Ήλιος en grec) est l'étoile centrale du système solaire. Dans la classification astronomique, c'est...). Actuellement, Advanced Virgo est le détecteur du réseau le plus constant dans son fonctionnement: jusqu'à 90% du temps, un succès remarquable. Le reste du temps est consacré aux périodes de maintenance ─ coordonnées avec celles de LIGO pour optimiser les performances du réseau ─ tandis que des perturbations fortes induites par l'environnement interrompent parfois la prise de données. Ce très bon taux de fonctionnement reflète la précision avec laquelle Advanced Virgo est contrôlé, et la bonne stabilité des bruits instrumentaux. Cela permettra à Virgo de contribuer pleinement aux futures détections d'OGs durant cette troisième campagne d'observation.

Irene Fiori ajoute: “Dans la salle de contrôle (Le mot contrôle peut avoir plusieurs sens. Il peut être employé comme synonyme d'examen, de vérification et de maîtrise.) de Virgo, nous avons travaillé dur, partagé de longues discussions scientifiques et vécu des moments forts. Notre humeur au quotidien reflétait les progrès ou les difficultés de Virgo. Nous avons ressenti une grande joie quand, le 1er avril, nous avons inauguré le run O3 conjointement avec LIGO, avec, pour Virgo, une sensibilité presque doublée par rapport à 2017. 'Nous avons réussi' était sur toutes les lèvres. Et chaque nouvel événement découvert renforce cette satisfaction.”

Le taux de fonctionnement très élevé du détecteur Advanced Virgo, combiné à son éloignement géographique des détecteurs LIGO et à son orientation (Au sens littéral, l'orientation désigne ou matérialise la direction de l'Orient (lever du soleil à l'équinoxe) et des points cardinaux (nord de la...) différente (En mathématiques, la différente est définie en théorie algébrique des nombres pour mesurer l'éventuel défaut de dualité d'une application définie à l'aide de...), améliore la capacité du réseau global de localiser les sources d'OGs dans le ciel et de décrypter de manière complète ces signaux. En effet, une bonne détermination de la position de la source dans le ciel est un prérequis pour une campagne d'observation de contreparties électromagnétiques réussie, et pour la riche moisson de résultats scientifiques qui s'ensuit.

De nombreuses détections sont attendues à mesure que les instruments Advanced LIGO et Advanced Virgo continuent leur campagne d'observations O3 qui doit durer un an: de nouvelles fusions de BBH et de systèmes contenant des étoiles à neutrons bien sûr, mais aussi peut-être de nouveaux signaux d'OGs émis par d'autres types de sources astrophysiques. À la fois les algorithmes de détection en temps réel, qui analysent une première fois les données dès qu'elles sont produites, et les analyses ultérieures, qui traitent de grandes quantités de données en utilisant l'ensemble des informations disponibles, vont continuer à chercher des OGs, de sources connues ou inconnues.
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