Ondes gravitationnelles : première détection conjointe des collaborations LIGO et Virgo

Les scientifiques des collaborations LIGO et Virgo ont observé, pour la première fois avec trois détecteurs, des ondes gravitationnelles émises lors de la fusion de deux trous noirs.

Ce résultat confirme le bon fonctionnement de l’instrument Advanced Virgo, qui s’est joint aux observations des deux détecteurs LIGO le 1er août et dont c’est la première détection. Il ouvre la voie à une localisation bien plus précise des sources d’ondes gravitationnelles.

Cette première fait l’objet d’une publication de la collaboration internationale exploitant les trois détecteurs, qui comprend des équipes du CNRS, à paraitre dans la revue Physical Review Letters. Elle sera exposée lors d’un point presse en marge de la réunion du G7-science à Turin.

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. 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.

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Un gigantesque trou noir supermassif défie les théories concernant l’évolution des trous noirs

Ce trou noir supermassif, 12 milliards de fois plus massif que notre Soleil, a été découvert en 2013 par des astronomes utilisant le télescope Lijiang situé à Yunnan (Chine). Il pose un défi aux théories actuelles concernant l’évolution des trous noirs car il est à la fois très jeune et extrêmement massif.

L’Univers a un âge estimé de 13,8 milliards d’années et ce trou noir se situe à 12,9 milliards d’années-lumière de la Terre (Redshift de 6.30). On a donc affaire à un objet céleste qui existait seulement 900 millions d’années après le Big Bang. Ce qui impressionne les astronomes est que 900 millions d’années est un lapse de temps très court pour qu’un trou noir puisse devenir aussi grand.

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Evolution Stellaire : formation et évolution des étoiles

(Cliquez pour agrandir l’image) De bas en haut on va d’une protoétoile de faible masse à une protoétoile de masse de plus en plus importante.

La vitesse d’évolution et le destin d’une étoile dépend de sa masse

Tout commence avec un nuage de poussière et de gaz
En raison de la pression exercée par la force gravitationnelle, La poussière et le gaz se compressent et s’échauffent pour créer une protoétoile. Selon sa taille, la protoétoile ne donne pas le même résultat.

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Formation d’un trou noir suite à une collision d’étoiles à neutrons

La simulation ci-dessous montre l’un des évènements les plus violents de l’Univers : 2 étoiles à neutrons qui entrent en collision pour ensuite fusionner et former un trou noir.

Une étoile à neutrons est le noyau compressé qui subsiste lorsqu’une étoile née avec une taille entre 8 et 30 fois celle de notre Soleil explose en supernova. Ce noyau a une masse d’environ 1,5 fois celle du Soleil compressée en une sphère de 19 km de diamètre.

Au début de la simulation, vous pouvez voir 2 étoiles à neutron de 1,4 et 1,7 masses solaires. Elles ne sont séparées que de 18 km, une distance légèrement inférieure à celle de leur propre diamètre. Les couleurs plus rouges montrent les régions de densité de plus en plus faible.

Alors que les étoiles tournent en spirale l’une autour de l’autre, d’intenses marées commencent à les déformer, fissurant leur croute. Les étoiles à neutrons ont une incroyable densité mais leur surface sont fines en comparaison (avec des densités environ un millions de fois plus importantes que l’or tout de même).

Au bout de 7 millisecondes, les forces de marée submergent et brisent l’étoile la moins grosse. A 13 millisecondes, son contenu superdense se mélange à celui de l’étoile la plus grosse qui accumule une masse tellement importante qu’un trou noir finit par se créer en son centre. L’horizon des évènements du trou noir, le point de non retour où plus rien ne peut s’échapper, est représenté par une sphère grise dans cette simulation. La plupart de la matière des 2 étoiles à neutrons est avalée par le trou noir mais la matière moins dense et plus rapide parvient à se mettre en orbite autour, formant un tore en rotation rapide. Ce tore s’étend sur environ 200 km et contient l’équivalent d’environ 1/5ème de la masse de notre Soleil.

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Le Trou Noir Supermassif au Centre de notre Galaxie pourrait bien être un Trou de Ver

Sagittarius A* est l’un des objets célestes les plus extraordinaires de notre galaxie. Cette intense source d’ondes radio située dans la constellation du Sagittaire, au centre de la Voie Lactée, a été découverte en 1974. Il est environ 4 millions de fois plus massif que notre Soleil et est compressé en un volume qui n’est pas plus important que l’orbite de Mercure.

Certaines étoiles orbitent Sagittarius A* à très grande vitesse, ce qui indique que l’objet est massif. Etant donné qu’il est très petit, cela signifie qu’il doit être extrêmement dense. C’est pourquoi de nombreux astronomes pensent qu’il s’agit d’un trou noir supermassif. Mais il y a une autre explication : cet objet céleste massif et dense pourrait être un trou de ver connectant notre région de l’Espace à une autre région de l’Univers (ou un autre Univers).

Les trous de ver sont autorisés par les lois de la relativité générale et pourraient bien s’être formés peu après le Big Bang.

Si Sagittarius A* est un trou de ver, comment les astronomes peuvent-ils le distinguer d’un trou noir ? Nous avons maintenant la réponse grâce au travail de Zilong Li et de Cosimo Bambi (Fudan University de Shanghai). Ils ont calculé que le plasma qui orbite un trou noir prendrait une forme différente que le même plasma qui orbiterait un trou de ver. Ils ont calculé la différence et même simulé les images résultantes qui pourraient bien être collectées par la prochaine génération de télescopes interférométriques. Cela signifie que nous serons très bientôt en mesure (dans les prochaines années) de savoir si Sagittarius A* est un trou de ver ou si c’est bien un trou noir supermassif comme ce que nous avons pensé jusqu’à maintenant.

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