Les ondes gravitationnelles dÿcouvertes gr�ce à la fusion de deux trous noirs

Le 14 septembre 2015, à 11 h 51, pour la premiÃÅre fois, les deux interfÿromÃÅtres LIGO situÿs aux Etats-Unis ont enregistrÿ le passage d'une onde gravitationnelle.

Cette infime dÿformation de l'espace-temps a ÿtÿ dÿtectÿe avec 7 millisecondes d'ÿcart par les deux instruments sÿparÿs par 3000 kilomÃÅtres. De sorte que sa rÿalitÿ ne fait aucun doute.

Le signal est d'ailleurs parfaitement en accord avec ce que les thÿoriciens attendaient dans le cas de la fusion de deux trous noirs. Ceux qui ont ÿtÿ observÿs avaient une masse respective de 29 et de 36 fois la masse du Soleil.

La forme du signal complexe dÿtectÿ par LIGO montre que les deux objets finissent par n'Ã?tre plus qu'à quelques centaines de kilomÃÅtres l'un de l'autre. Or, seuls des trous noirs permettent d'expliquer une telle masse confinÿe dans une si petite zone de l'espace.

Les scientifiques dÿsignent ces trous noirs sous l'appellation GW150914. Le rÿsultat de la fusion des deux astres est un nouveau trou noir d'une masse de 62 masses solaires, et non 65 masses solaires comme on pourrait s'y attendre.

Les 3 masses solaires manquantes sont prÿcisÿment celles qui ont ÿtÿ dissipÿes sous la forme d'ÿnergie gravitationnelle. La quantitÿ d'ÿnerige libÿrÿe est collossale, elle rÿpond à la fameuse loi d'Einstein E=mcÂ? (l'ÿnergie vaut la masse multipliÿe par le carrÿ de la vitesse de la lumiÃÅre).

Ci-dessus : les enregistrements du passage de l'onde gravitationnelle par les deux interfÿromÃÅtres LIGO (en haut et au centre), conformes à la prÿdiction (trait fin sur les deux premiers graphes) et cohÿrent entre eux (en bas).

Un ÿvÿnement à 1,3 milliard d'annÿes-lumiÃÅre
Les mesures rÿalisÿes ont permis de localiser la coalescence de ces deux astres compacts dans une rÿgion du ciel austral qui inclue la galaxie naine du Grand Nuage de Magellan, situÿe à 158000 annÿes-lumiÃÅre. Mais l'ÿvÿnement responsable des ondes gravitationnelles est survenu bien plus loin, à quelque 1,3 milliard d'annÿes-lumiÃÅre.

Pas de contrepartie visible

La direction dans laquelle se situe le trou noir n'est pas connue prÿcisÿment. La zone d'incertitude fait la taille d'une grande constellation (600 degrÿs carrÿs), soit un peu plus de 1% de la taille de la voÃ'te cÿleste.

Le programme de dÿtection a alertÿ les chercheurs quelques minutes aprÃÅs le passage de l'onde. Sous quelques heures, les chercheurs ont partagÿ entre eux l'alerte par mail.

C'est seulement deux jours plus tard, ils ont lancÿ l'alerte à une vingtaine d'observatoires suceptibles d'identifier la source dans diffÿrents domaines de longueurs d'onde, des rayons X aux rayons gamma.

Hÿlas, rien n'a ÿtÿ identifiÿ. "En fait, nous ne savons pas à quoi nous attendre. Il est possible que, dans le cas de trous noirs il n'y ait aucune contrepartie visible, car ils ont â??fait le mÿnageâ?? : il n'y a plus de disque de matiÃÅre autour d'eux", nous a prÿcisÿ Ã%ric Chassande-Mottin, du laboratoire Astroparticules et cosmologie de l'universitÿ Paris Diderot.

En revanche, les chercheurs s'attendent à pouvoir observer des contreparties lorsqu'il s'agit d'une collision impliquant une naine blanche. Celles-ci pourraient expliquer les sursauts gamma trÃÅs brefs.

� terme, lorsque VIRGO sera opÿrationnel à la fin de l'annÿe, la localisation dans le ciel sera plus prÿcise. Mais les chercheurs devrons aussi �tre plus rÿactifs pour lancer l'alerte. Là , ils ont clairement ÿtÿ pris de court. En fait, le dÿbut officiel des opÿrations de LIGO avait lieu le 18 septembre 2015. La dÿtection a donc eu lieu 4 jours avant ! "Heureusement l'instrument avait une stabilitÿ nominale depuis le 12 septembre", rassure Nicolas Leroy, de l'IN2P3.

La simulation de la collision

Les deux trous noirs impliquÿs ont fusionnÿ à une vitesse de 200 000
km/s, ce qui reprÿsente les deux tiers de la vitesse de la lumiÃÅre.
Cette collision a ÿmis sous forme d'ÿnergie gravitationnelle
l'ÿquivalent d'une masse ÿgale à trois fois celle du Soleil.

La vidÿo ci-dessous montre en simulation ce qui a ÿtÿ observÿ (la fusion de deux trous noirs).

Un effet infime
Sur son passage, l'onde gravitationnelle gÿnÿrÿe par ce cataclysme cosmique a dÿformÿ l'espace-temps. Ainsi, la Terre a ÿtÿ lÿgÃÅrement distordue de maniÃÅre trÃÅs ÿphÿmÃÅre. C'est cette distorsion que LIGO a dÿtectÿ.

Mais sur la longueur de l'instrument (deux bras de 4 km), la dÿformation n'a pas excÿdÿ la moitiÿ du diamÃÅtre d'un proton. "Nous sommes capables de mesurer des dÿplacements un milliard de fois plus petits que la taille d'un atome", a soulignÿ Benoit Mours, du laboratoire de physique des particules d'Annecy.

L'un des interfÿromÃÅtres de LIGO, aux Ã%tats-Unis, qui a permis
la dÿtection des premiÃÅres ondes gravitationnelles. ¿ LIGO Laboratory.

Compte tenue de la prÿcision de l'interfÿromÃÅtre, le signal enregistrÿ ne fait aucun doute. Cent ans aprÃÅs la thÿorie de la relativitÿ gÿnÿrale publiÿe par Einstein, l'une de ses prÿdictions a donc ÿtÿ vÿrifiÿe.

Cette observation ouvre la voie à une nouvelle astronomie qui va ÿtudier les trous noirs et les astres compacts comme les ÿtoiles à neutrons par un autre biais que celui des rayonnements ÿlectromagnÿtiques.

Les chercheurs n'hÿsitent pas à parler d'une rÿvolution dans le domaine de l'observation comparable à la premiÃÅre utilisation d'une lunette par Galilÿe, il y a 400 ans. C'est vÿritablement une nouvelle fenÃÅtre sur l'Univers, et maintenant que les instruments sont au point, les dÿcouvertes devraient s'enchaÃRner.

Philippe Henarejos / JL Dauvergne, le 11 fÿvrier 2016