Ondes gravitationnelles : première détection conjointe LIGO-Virgo

Les trous noirs sont le stade ultime de l'évolution des étoiles les plus massives. Il arrive que certains évoluent en couple. Ils orbitent alors l'un autour de l'autre et se rapprochent lentement en perdant de l'énergie sous forme d'ondes gravitationnelles, un phénomène qui finit par s'accélérer brusquement jusqu'à les faire fusionner en un trou noir unique. Un tel tourbillon final avait déjà été observé trois fois par les détecteurs LIGO en 2015 et début 2017 3 . Cette fois ce sont trois instruments qui en ont été témoins, le 14 août 2017 à 10h30 UTC, permettant une bien meilleure localisation dans le ciel. 

Ce nouvel évènement confirme que les couples de trous noirs sont relativement abondants et va contribuer à leur étude. Les deux trous noirs, qui avaient des masses égales à 25 et 31 fois celle du Soleil, ont fusionné en un trou noir de 53 masses solaires, l'équivalent de 3 masses solaires ayant été converties en énergie sous forme d'ondes gravitationnelles. Cet événement s'est produit à environ 1,8 milliard d'années-lumière de la Terre ; autrement dit, les ondes gravitationnelles se sont propagées dans l'espace pendant 1,8 milliard d'années avant d'être détectées par le détecteur Advanced LIGO situé en Louisiane (États-Unis), puis 8 millièmes de seconde plus tard par celui situé dans l'État de Washington, et enfin 6 millièmes de seconde après par Advanced Virgo situé près de Pise en Italie. 

L'apport d'un troisième instrument, Advanced Virgo, permet d'améliorer significativement la localisation des évènements astrophysiques à l'origine des ondes gravitationnelles. Ces évènements, extrêmement violents, peuvent dans certains cas éjecter de la matière très chaude qui peut être visible pour des télescopes optiques. Avec seulement deux détecteurs d'ondes gravitationnelles, la zone de recherche dans le ciel s'étendait sur une zone équivalant à plusieurs milliers de fois la surface de la pleine Lune. Grâce à Advanced Virgo, elle est environ dix fois plus petite, et l'estimation de la distance à laquelle se trouve la source est aussi deux fois meilleure. Ceci améliore grandement les chances d'observer des signaux avec d'autres instruments. 

Pour cet évènement, la combinaison des temps d'arrivée avec l'amplitude des signaux observés a permis d'établir une zone de recherche dans le ciel de 60 degrés carré 4 , qui a été scrutée par 25 groupes d'astronomes. Comme pour les précédents événements, aucun signal optique n'a été observé. 

Un autre atout du détecteur Virgo est son orientation, différente de celle des deux instruments LIGO. Ceci rend possible de nouveaux tests de la théorie de la relativité générale, élaborée par Albert Einstein, qui décrit la force de gravitation. En effet, cette théorie prédit que lors du passage d'une onde gravitationnelle, l'espace s'étire dans une direction tout en se contractant dans une autre, au lieu, par exemple, de se déformer dans une seule direction ou dans toutes les directions à la fois comme le prédisent des théories alternatives. L'analyse des signaux observés indique que c'est effectivement le cas. C'est un prélude à de futurs tests plus poussés de la relativité générale.

En attendant de nouvelles observations à l'automne 2018, les premières données de ce réseau de trois détecteurs sont toujours en cours d'analyse et devraient donner lieu prochainement à d'autres annonces.

Advanced Virgo est un instrument principalement cofinancé par le CNRS en France et l'Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (INFN) en Italie. Les chercheurs travaillant sur Virgo sont regroupés au sein de la collaboration du même nom, comprenant plus de 250 physiciens, ingénieurs et techniciens appartenant à 20 laboratoires européens dont 6 au CNRS en France, 8 à l'INFN en Italie et 2 à Nikhef aux Pays-Bas. Les autres laboratoires sont Wigner RCP en Hongrie, le groupe POLGRAW en Pologne, un groupe à l'université de Valence (Espagne) et EGO (European Gravitational Observatory), près de Pise, en Italie, où est implanté l'interféromètre Virgo. Après plusieurs années de travaux d'amélioration et quelques mois de tests, Advanced Virgo a recommencé à écouter le ciel le 1er août 2017, rejoignant Advanced LIGO. Cette détection est l'aboutissement d'un quart de siècle d'investissements du CNRS et de l'INFN dans ce grand équipement. 

LIGO (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory) est un observatoire dédié aux ondes gravitationnelles composé de deux interféromètres identiques, situés aux Etats-Unis. La version améliorée de ces détecteurs (Advanced LIGO) a redémarré en septembre 2015. Autour de ces instruments s'est constituée la collaboration scientifique LIGO (LIGO Scientific Collaboration, LSC), un groupe de plus de 1000 scientifiques travaillant dans des universités aux Etats-Unis et dans 14 autres pays. Elle travaille main dans la main avec la collaboration Virgo. En effet, depuis 2007, les scientifiques des deux groupes analysent en commun les données et signent ensemble les découvertes. 

La publication scientifique des collaborations LIGO et Virgo annonçant cette observation est cosignée par 76 scientifiques de six équipes du CNRS et d'universités associées :

• le laboratoire Astroparticule et cosmologie (CNRS/Université Paris Diderot/CEA/Observatoire de Paris), à Paris;
• le laboratoire Astrophysique relativiste, théories, expériences, métrologie, instrumentation, signaux (CNRS/Observatoire de la Côte d'Azur/Université Nice Sophia Antipolis), à Nice;
• le Laboratoire de l'accélérateur linéaire (CNRS/Université Paris-Sud), à Orsay;
• le Laboratoire d'Annecy de physique des particules (CNRS/Université Savoie Mont Blanc), à Annecy;
• le Laboratoire Kastler Brossel (CNRS/UPMC/ENS/Collège de France), à Paris;
• le Laboratoire des matériaux avancés (CNRS), à Villeurbanne.

Le CNRS a décerné le 27 septembre 2017 une double médaille d'or aux physiciens Alain Brillet et Thibault Damour pour leurs contributions majeures à la détection des ondes gravitationnelles². 

Revoir l'annonce sur : https://youtu.be/xR6d8V5oh0o  

Télécharger le communiqué de presse des collaborations LIGO et Virgo (en anglais) : 

Pour en savoir plus :

• Une sélection de photos sur Virgo, par la photothèque du CNRS.
• « Ondes gravitationnelles: les détecteurs de l'extrême », film de CNRS le Journal, 11 février 2016

• 3Voir : Les ondes gravitationnelles détectées 100 ans après la prédiction d'Einstein (11 février 2016) Consulter le site web ; Ondes gravitationnelles : et de deux ! (15 juin 2016) Consulter le site web ; Troisième détection d'ondes gravitationnelles : la confirmation de l'existence d'une nouvelle population de trous noirs (1er juin 2017) Consulter le site web .
• 4Soit environ 250 fois la taille de la pleine Lune dans le ciel.