jeudi 11 février 2016

LIGO observe la fusion de deux trous noirs par la détection directe d'ondes gravitationnelles

C'est bien plus qu'une annonce médiatique, car au-delà d'une simple conférence de presse, les résultats de LIGO sont publiés aujourd'hui par la revue scientifique la plus sérieuse qui soit dans le domaine de la physique, la revue Physical Review Letters, avec des résultats qui ne peuvent laisser que peu de doutes sur la réalité du signal détecté.


La gravitation est la force qui ordonne l’Univers à grande échelle. Elle est comprise depuis un siècle - et la théorie de la Relativité Générale d’Einstein - comme issue de la courbure de l’espace-temps, qui est elle-même produite par la présence de densité d’énergie (ou de masse). A son tour, toute masse (et on pourrait dire toute quantité d’énergie) se déplace dans l’espace-temps en suivant la courbure de ses géodésiques.

Vue d'artiste du phénomène d'émission d'ondes
gravitationnelles par un couple de trous noirs
spiralant l'un vers l'autre
Et la Relativité Générale prédit que lorsque deux objets très denses et très compacts se tournent l’un autour de l’autre à grande vitesse et finissent par fusionner dans un beau cataclysme, l’espace-temps autour de ce couple singulier doit subir des phénomènes semblables à des vibrations. Il doit alors exister des ondes à la surface de l’espace-temps, de façon un peu similaire à ce que l’on pourrait observer à la surface de l’eau lorsqu’on jette un caillou dans un lac : des ondes gravitationnelles. Ces ondes gravitationnelles, d'après la théorie einsteinienne qui les a prédites il y a tout juste un siècle, se propagent ensuite à la vitesse de la lumière dans tout l’Univers en s’atténuant sur leur trajet.
Les ondes gravitationnelles ont par la suite été associées à une particule spécifique dans le bestiaire de la physique des particules : un boson appelé le graviton, qui a la particularité unique dans le monde des particules de posséder un spin égal à 2.

Jusqu'à aujourd’hui, ni le graviton ni les ondes gravitationnelles n’avaient pu être observés directement, alors que l'on était sûrs de leur existence de manière indirecte en observant comment des couples d’étoiles à neutron perdent de l’énergie gravitationnelle, un phénomène qui ne peut être dû qu’à une émission d’ondes du même nom. L'objet emblématique de cette mesure reste le pulsar binaire PSR V1913+16 découvert en 1974, qui valut le Nobel de physique à ses découvreurs en 1993. Car les objets à même de produire des ondes gravitationnelles que nous pourrions détecter ne sont pas très nombreux : il s’agit soit de couples d’étoiles à neutron, soit de couples de trous noirs ou encore des couples mixtes : étoile à neutron-trou noir.

L'interféromètre LIGO de Hanford et ses bras de
4 km de longueur chacun  (Caltech).
Le signal des ondes gravitationnelles qui est attendu est extrêmement faible même si il montre une forme très particulière, qui peut être différente selon le type et la masse des objets compacts en train de spiraler l'un vers l'autre. Des détecteurs d’ondes gravitationnelles ont été construits ou sont en cours de construction dans différents endroits dans le monde ainsi qu'en orbite. Comme le passage d’une onde gravitationnelle sur Terre a pour conséquence de légèrement réduire ou augmenter la distance séparant un point d’un autre (imaginez un espace  élastique qui ondule), le principe utilisé pour mettre en évidence le passage d’une telle onde (ou une suite d’ondes) repose sur l’optique, et plus exactement sur l’interférométrie laser, la seule solution efficace pour mesurer avec une très grande précision une différence de longueur entre deux points.
Car de la précision il en faut pour voir le passage d’une onde gravitationnelle : la variation relative de longueur à détecter est de l’ordre de 10-21, soit un milliardième de nanomètre pour un kilomètre…

Les principaux interféromètres actuellement ou prochainement en activité, dédiés à la recherche d’ondes gravitationnelles, comme VIRGO en Italie, LIGO-Hanford (état de Washington) et LIGO-Livingston (Louisiane) aux Etats-Unis, LIGO-India en inde ainsi que GEO600 en Allemagne et Kagra au Japon sont constitués de deux tunnels de plusieurs kilomètres de longueur à 90° l'un de l'autre dans lesquels sont envoyés des faisceaux lasers qui sont réfléchis à l'autre bout par un miroir à la surface parfaitement polie au nanomètre près. Les deux faisceaux de lumière, initialement parfaitement identiques, sont ensuite mis en interférence à la suite de leur aller-retour et la moindre variation de distance parcourue par l'un ou l'autre faisceau indique le passage d'une onde gravitationnelle qui a modifié la distance de l'espace dans une direction sans en faire de même dans la direction orthogonale.
Gabriela Gonzalez
(Louisiana State University)
LIGO (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory) a été construit à partir de 1992 et a fonctionné pleinement entre 2002 et 2010 pour montrer la faisabilité de ces mesures extrêmement délicates. L'expérience a ensuite été arrêtée durant 5 ans pour passer à l'étape suivante et être grandement améliorée en termes de sensibilité, en étant désormais dénommé Advanced LIGO sur chacun des deux sites américains. L'expérience rénovée a été relancée il y a seulement quelques mois, en septembre 2015. Alors que la première version du détecteur géant ne pouvait qu'explorer un volume d'Univers de moins de 100 millions d'années lumière de rayon autour de nous, Advanced LIGO est capable de détecter des ondes gravitationnelles dans un rayon de plus de 1 milliard d'années-lumière...
Après des semaines de rumeurs pouvant paraître plus ou moins fondées, l'équipe de l'expérience LIGO, une très vaste collaboration internationale regroupant plus de 1000 chercheurs dans 90 institutions de 15 pays avec à sa tête la physicienne argentine Gabriela Gonzalez (Université de Louisiane), vient donc aujourd'hui de publier l'une des découvertes les plus attendues depuis celle qui s'était révélée fausse en 2014 (au sujet de la découverte par BICEP2 d'ondes gravitationnelles primordiales issues de l'inflation). Il s'agit ici de bien plus qu'une annonce médiatique, car on ne parle pas d'une simple conférence de presse, les résultats de LIGO sont publiés dans l'une des revues scientifiques la plus sérieuse qui soit, la revue Physical Review Letters, avec des résultats qui ne peuvent laisser que peu de doutes sur la réalité du signal détecté. La signifiance statistique dépasse 5 sigmas, ce qui, en termes statistiques, dit qu'on est en présence d'un vrai signal avec une probabilité extrêmement forte, qui permet classiquement d'affirmer une découverte sans devoir prendre de conditionnel, à l'image de la découverte du boson de Higgs en 2012 par exemple.
Installation de Advanced LIGO ( Caltech/MIT/LIGO Lab.)

Les chercheurs internationaux menés par Gabriela Gonzalez, avec la collaboration active de leurs collègues européens de VIRGO qui cosignent l'étude, montrent la détection le 14 septembre dernier, des tous derniers instants d'un couple de trous noirs stellaires, juste avant leur fusion ainsi que l'instant de leur fusion, le moment où le rayonnement gravitationnel est le plus intense (et aussi le plus spécifique et facile à reconnaître par rapport à des signaux parasites). Ils observent des très beaux signaux dans sur les deux sites (Hanford et Livingston), avec un léger décalage temporel de 7 ms correspondant au temps nécessaire pour relier les deux points à la vitesse de la lumière, ce qui rend d'autant plus évident la réalité de cette détection. Les physiciens parviennent, à partir de la structure des ondes détectées, d'en déduire la masse respective des deux trous noirs : 29 et 36 masses solaires, ainsi que la masse du trou noir résultant : 62 masses solaires. Une quantité de masse importante aurait donc été perdue sous forme d'énergie gravitationnelle, pas moins de 3 masses solaires.
Signal mesuré par les deux détecteurs de LIGO
(LIGO Collaboration)

Grâce à la double détection sur les deux sites espacés de plusieurs milliers de kilomètres, les chercheurs parviennent à estimer une zone d'origine de cette fusion de trous noirs : dans l'hémisphère sud, environ dans la direction du grand Nuage de Magellan. Mais à partir de l'amplitude des ondes détectées, les physiciens peuvent aussi déterminer la distance de cet événement, et elle est énorme : 1,3 milliards d'années-lumière. Cet événement est dorénavant appelé GW 150914 (GW pour "gravitational wave", suivi de la date de sa détection).

La découverte étonnante (car on ne s'y attendait pas aussi tôt) que nous offre aujourd'hui LIGO fournit la dernière preuve expérimentale qui manquait à la Relativité Générale d'Albert Einstein, ce magnifique édifice qui fête son centenaire. La confirmation de l'existence des ondes gravitationnelles confirme en outre un point admis depuis longtemps mais encore jamais prouvé directement : l'existence des trous noirs, tout simplement, et le fait qu'ils peuvent fusionner entre eux comme on l'a modélisé et seulement observé indirectement depuis de nombreuses années.

L'une des conséquences fondamentales de la possibilité désormais de détecter directement des ondes gravitationnelles est que l'on va pouvoir déterminer la vitesse exacte de ces ondes, correspondant à la propagation du graviton. Les modèles les plus standards prédisent que le graviton possède une masse nulle comme le photon et se déplace à la vitesse de la lumière, mais certaines variantes stipulent que le graviton aurait une toute petite masse non nulle, ce qui induirait une vitesse de propagation légèrement inférieure à la vitesse de la lumière. Cette détermination, par l'observation d'un événement qui serait source à la fois d'ondes gravitationnelles et de photons, pourrait ouvrir la voie à de profonds bouleversements en physique fondamentale.


Simulation de deux trous noirs fusionnant et l'effet produit sur l'espace-temps.
(Bohn, Throwe, Hébert, Henriksson, Bunandar, Taylor, Scheel http://www.black-holes.org/lensing)
Une autre conséquence de notre possibilité de détecter des ondes gravitationnelles est que l'on pourra tester la validité de certaines théories des cordes cosmiques qui prédisent l'apparition d'ondes gravitationnelles détectables lorsque celles-ci se "brisent".

Même si les ondes gravitationnelles sont le mieux "visibles" sur ces objets ultra-compacts que sont les trous noirs, elles sont aussi produites par des objets un peu moins denses mais tout aussi extrêmes que sont les étoiles à neutron. La théorie actuelle stipule que, de part leur champ gravitationnel extrême, les étoiles à neutrons doivent être parfaitement sphériques, lisses. Mais il se pourrait, selon certains spécialistes, que les étoiles à neutron dont la physique est toujours assez mal comprise, aient encore des montagnes de quelques millimètres d'altitude. De tels "défauts de symétrie" sur ces objets tournoyant à des vitesses folles (plus de 1000 tours par secondes pour une boule de quelques kilomètres de rayon) produiraient nécessairement l'émission continue d'ondes gravitationnelles sous une forme très spécifique (sinusoïdale). Il s'ensuivrait alors une perte d'énergie rotationnelle pour l'étoile à neutron et son ralentissement progressif.
Bien sûr, les couples d'étoiles à neutron en spiralant l'une autour de l'autre, émettent aussi leurs ondes gravitationnelles et il sera possible de déterminer quel est le produit final de la fusion des deux étoiles à neutrons, qui peut être soit une "grosse" étoile à neutron, soit un trou noir (a priori, sauf surprises).

Un autre astre émetteur d'ondes gravitationnelles est l'étoile dans sa phase précédent tout juste sa transformation en étoile à neutron ou en trou noir : la supernova, instant fatidique de l'explosion, et plus précisément la supernova de type II, dite supernova par effondrement. L'"écoute" de la structure des ondes gravitationnelles émises au cours d'une telle implosion-explosion, couplée avec l'observation de son émission électromagnétique associée, et pourquoi pas son émission neutrino, devrait pouvoir nous fournir des informations capitales sur le mécanisme qui génère l'effondrement gravitationnel.

On peut enfin imaginer pouvoir utiliser le signal d'ondes gravitationnelles de couples de pulsars ou de trous noirs fusionnant pour calculer leur distance précise et utiliser cette mesure de distance en remplacement des chandelles standards actuellement utilisées (les supernovas Ia), et permettre ainsi d'évaluer le taux d'expansion de l'Univers de manière indépendante de la technique utilisant la luminosité des supernovas Ia.

On le voit, la détection directe des ondes gravitationnelles est une grande avancée pour nos connaissances actuelles et ouvre la voie vers une nouvelle ère de l'astronomie, une astronomie sans photons où le messager entre les astres et les hommes est l'espace-temps lui-même. 



Sources : 

Observation of gravitational waves from a binary black hole merger
B. P. Abbott et al. (LIGO Scientific Collaboration and Virgo Collaboration)
Physical Review Letters 116, 061102 (11 february 2016)
http://dx.doi.org/10.1103/PhysRevLett.116.061102

Collaboration LIGO


Gravitational waves: 6 cosmic questions they can tackle
Davide Castelvecchi
Nature online (09 February 2016)
http://dx.doi.org/10.1038/nature.2016.19337

7 commentaires :

Monsieur Tout Le Monde a dit…

Fascinant !

Mais, quelqu’un pourrait il m'instruire sur un point : en quoi cette observation prouve-t-elle l’existence des trous noirs ?

Est-ce parce que la structure des ondes permet de déduire les masses des objets qui ont fusionné,de 29 et 36 masses solaires, et que des objets si massifs sont forcément des trous noirs d'après nos connaissances ?

Dr Eric SIMON a dit…

Cela prouve l'existence des trous noirs parce que ces ondes gravitationnelles ne peuvent être produites que par des objets compacts : étoiles à neutrons ou trous noirs, et avec les masses trouvées, il ne peut s'agir que de trous noirs. Une étoile à neutron ne dépasse pas 1,5 masses solaires.

robert biloute a dit…

Au sens strict on n'a pas encore de preuve directe de l'existence des trous noirs. Par contre on sait repérer des corps ayant une densité mesurée telle qu'elle est compatible avec l'objet théorique trou noir.

Dans les modèles qu'on a de l'évolution des étoiles, on a différent stade en fin de vie qui suivent une certaine logique. Au dessus d'une certaine densité critique, les forces de cohésion interne ne sont plus suffisantes pour contrecarrer la gravitation, ça s'effondre. Pour se concentrer encore, jusqu'à buter sur une autre force de cohésion plus forte, une pression en fait. Une étoile moyenne ou petite peut finir en naine blanche, qui tient sur ce qu'on appelle la 'pression de dégénérescence des électrons'. Une étoile plus grosse pourra former une étoile à neutrons, reposant sur les même interactions fondamentales que les noyaux atomiques. Au dessus de ce stade, on suppose qu'il n'y a plus de forces suffisante pour contrarrer la gravitation, et qu'on arrive au trou noir. Certains parlent cependant "d'étoiles à quarks" par exemple, aucune preuve de leur existence non plus. D'autres propose des modèles plus abstrait ou des phénomène du à la structure même de l'espace temps font que la singularité n'existe pas et/ou que la densification est stoppée au dessus de la taille de l'horizon théorique.

Je pense qu'on va pouvoir commencer à tester réellement des paramètre fondamentaux comme l'existence d'un horizon par exemple, en radioastronomie notamment. Avec cette nouvelle fenêtre observationnelle, je suppose que ça va y aller aussi.

Etienne Sandré-Chardonnal a dit…

L'arrêt brusque de l'onde lors de la collision n'est-elle pas une preuve de l'existence de l'horizon justement? Dans le cas d'étoiles à neutron, les oscillations devraient continuer un certain temps en s'atténuant, non?

Dr Eric SIMON a dit…

En fait l'onde ne s'arrête pas brutalement une fois la fusion réalisée, des modes d'oscillations doivent se propager juste après, mais dans le cas de GW 150914, ces modes n'ont pas pu être vus car noyés dans le bruit. Il est certain que la structure des ondes issues d'une fusion d'étoiles à neutron est assez différente de celle d'une fusion de TN et seront très reconnaissables (ne serait-ce que par la symétrie parfaite du TN résultant qui n'est pas forcément le cas d'une étoile à neutron résiduelle).

Frederic Conrotte a dit…

Passionnante cette découverte !

Marc Lachieze-rey dit à propos de l'énergie émise par les ondes gravitationnelles récemment détectées comme issues de la fusion de 2 trous noirs:

"L'énergie émise pendant ce seul événement qui a duré moins d'une seconde est des milliards de fois supérieure à l'énergie que toutes les étoiles de l'Univers auront émises pendant toute leur durée de vie sous forme lumineuse."

Cette phrase est tirée de l'émission "La Conversation Scientifique" à partir de la 41eme minute :
http://media.radiofrance-podcast.net/podcast09/13957-19.03.2016-ITEMA_20940399-0.mp3

Cette seule phrase me parait énorme et me laisse perplexe.

Je ne doute pas des compétences de Marc Lachieze-rey évidemment, mais sur quoi se base-t-il pour dire une chose pareille ?

Pouvez-vous m'éclairer la dessus ?

Dr Eric SIMON a dit…

Il faut voir que l'énergie émise sous forme d'ondes gravitationnelles était ici de 3 masses solaires. Et c'est de la pure énergie issue de la masse, on peut donc appliquer la fameuse formule E=mc². Faisons le calcul. Pour avoir l'énergie en Joules, on met la masse en kilogrammes et la vitesse de la lumière en m/s. Vous êtes prêt ?
Masse du soleil = 1,989 × 10^30 kg
Vitesse de la lumière = 3. 10^8 m/s
donc E = 1,79 10^47 Joules.

Combien d'énergie rayonne une étoile moyenne durant sa durée de vie ? Prenons le cas du Soleil, l'énergie qu'il libère provient de la fusion de l'hydrogène en hélium, ce qui produit une perte de masse de 5 millions de tonnes par seconde. On applique encore E=mc² pour avoir l'énergie correspondante par seconde : E = 1,5 10^26 J/s.
On va considérer que la durée de vie moyenne de cette étoile moyenne est de 10 milliards d'années, ce qui fait 3,15 10^17 secondes.
L'énergie libérée par l'étoile (moyenne) durant 10 milliards d'années est donc très approximativement de l'ordre de 4,7 10^43 Joules.

Pour atteindre l'énergie de masse des 3 masses solaires des ondes gravitationnelles détectées, il faudrait donc d'après ce petit calcul de coin de table de l'ordre de 10^4 étoiles durant 10 milliards d'années...
On estime que le nombre total d'étoiles dans l'Univers observable est de 10^22.

Conclusion: sauf le grand respect que je dois à Marc Lachièze-Rey, on devrait pouvoir affirmer qu'il s'est trompé de 18 ordres de grandeurs, soit un milliard de milliards... Une broutille ?
Cher Marc Lachièze-Rey, si vous lisez ceci, pourriez-vous nous expliquer votre calcul (et me dire si le mien est erroné) ?