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Astronomie gravitationnelle? Comment détecter les ondes gravitationnelles change tout

Astronomie : Astronomie gravitationnelle?  Comment détecter les ondes gravitationnelles change tout


Il y a quelques semaines à peine, les astronomes de Caltech ont annoncé la troisième détection d'ondes gravitationnelles réalisée par l'observatoire d'interféromètres à laser Gravitationational Wave ou LIGO.

Comme lors des deux précédentes détections, les astronomes ont déterminé que les ondes avaient été générées lorsque deux trous noirs de masse intermédiaire se sont percutés l'un sur l'autre, provoquant des ondulations d'espace-temps déformé.

Un trou noir avait 31, 2 fois la masse du Soleil, tandis que l'autre avait 19, 4 masses solaires. Les deux se mirent en spirale l'un vers l'autre, jusqu'à ce qu'ils fusionnent en un seul trou noir de 48, 7 masses solaires. Et si vous faites le calcul, deux fois la masse du Soleil a été convertie en ondes gravitationnelles lors de la fusion des trous noirs.

Le 4 janvier 2017, LIGO a détecté la fusion de deux trous noirs. Courtesy Caltech / Laboratoire MIT / LIGO

Ces ondes gravitationnelles se sont propagées à la vitesse de la lumière à la suite d'une collision colossale, s'étendant et se comprimant dans l'espace-temps comme une onde de tsunami traversant l'océan jusqu'à la Terre, située à environ 2, 9 milliards d'années-lumière.

Les ondes ont balayé chacune des deux installations LIGO, situées dans différentes régions des États-Unis, étirant la longueur de mesures laser soigneusement calibrées. Et à partir de là, les chercheurs ont pu détecter la direction, la distance et la force de la fusion initiale.

Sérieusement, s'il ne s'agit pas de l'une des choses les plus cool que vous ayez jamais entendue, je suis clairement impressionné.

Maintenant que la troisième détection a été faite, je pense qu’il est prudent de dire que nous entrons dans un tout nouveau domaine de l’astronomie gravitationnelle. Dans les décennies à venir, les astronomes utiliseront les ondes gravitationnelles pour explorer des régions qu’ils ne pouvaient jamais voir auparavant.

Etre capable de percevoir les ondes gravitationnelles, c'est comme acquérir un tout nouveau sens. C'est comme avoir des yeux et soudainement obtenir la capacité de percevoir le son.

Cette nouvelle science mettra des décennies à débloquer et nous commençons tout juste à commencer.

Comme Einstein l'avait prédit, toute masse se déplaçant dans l'espace génère des ondulations dans l'espace-temps. Lorsque vous marchez, vous créez en fait de minuscules ondulations. Si vous pouvez détecter ces ondulations, vous pouvez travailler en arrière pour déterminer quelle taille de masse a créé les ondulations, dans quelle direction elles se déplaçaient, etc.

Même dans des endroits que vous ne pourriez pas voir autrement. Laissez-moi vous donner quelques exemples.

Les trous noirs, évidemment, sont les fruits à portée de la main. Lorsqu'ils ne s'alimentent pas activement, ils sont complètement invisibles. Ils ne sont détectables que par la façon dont ils attirent par la gravité des objets ou qui modifient la lumière des objets qui passent derrière eux.

Mais vu dans les ondes gravitationnelles, ce sont comme des navires traversant l'océan, laissant derrière eux des ondulations d'espace-temps déformées.

Grâce à nos capacités actuelles via LIGO, les astronomes ne peuvent détecter que les objets les plus massifs se déplaçant à une vitesse significative de la vitesse de la lumière. Une fusion de trous noirs régulière ne fait pas l'affaire - il n'y a pas assez de masse. Même une fusion de trous noirs supermassive n'est pas encore détectable car ces fusions semblent se produire trop lentement.

LIGO a déjà considérablement augmenté le nombre de trous noirs de masses connues. L'observatoire a définitivement détecté deux ensembles de points noirs fusionnés (bleu vif). Pour chaque événement, LIGO a déterminé les masses individuelles des trous noirs avant leur fusion, ainsi que la masse du trou noir produit par la fusion. Les trous noirs indiqués par une bordure en pointillé représentent un événement candidat au LIGO trop faible pour être déclaré comme une détection. Crédit: LIGO / Etat Caltech / Sonoma (Aurore Simonnet)

C'est pourquoi toutes les détections jusqu'à présent ont été des trous noirs de masse intermédiaire avec des dizaines de fois la masse de notre Soleil. Et nous ne pouvons les détecter qu'au moment de leur fusion, lorsqu'ils génèrent les ondes gravitationnelles les plus intenses.

Si nous pouvons augmenter la sensibilité de nos détecteurs d'ondes gravitationnelles, nous devrions être en mesure de détecter les fusions de trous noirs de plus en plus massifs.

Mais la fusion n'est pas la seule chose qu'ils font. Les trous noirs naissent lorsque des étoiles avec plusieurs fois la masse de notre Soleil s'effondrent sur elles-mêmes et explosent en tant que supernovae. Certaines étoiles, nous avons appris à présent, implosent simplement sous forme de trous noirs, ne générant jamais la supernovae, ce processus est donc entièrement caché de nous.

Y a-t-il une singularité au centre d'un horizon d'événements de trous noirs, ou y a-t-il quelque chose de plus petit qu'un objet plus petit qu'une étoile à neutrons, mais plus grand qu'un point infiniment petit? À mesure que les trous noirs se rejoignent, nous pouvons voir au-delà de l'horizon des événements avec des ondes gravitationnelles, en cartographiant la région invisible à l'intérieur pour avoir une idée de ce qui se passe là-bas.

Cette illustration montre la fusion de deux trous noirs et les ondes gravitationnelles qui se propagent vers l’extérieur lorsque les trous noirs s’enroulent en spirale. En réalité, la zone près des trous noirs semblerait très déformée et les ondes gravitationnelles seraient difficiles à voir directement. Crédit: LIGO / T. Pyle

Nous voulons connaître des objets encore moins massifs comme les étoiles à neutrons, qui peuvent également se former à partir d'une explosion de supernova. Ces étoiles à neutrons peuvent être en orbite et fusionner, générant certaines des explosions les plus puissantes de l’Univers: les sursauts gamma. Mais les étoiles à neutrons ont-elles des caractéristiques de surface? Différentes densités? Peut-on détecter un vacillement dans les ondes gravitationnelles dans les derniers instants précédant une fusion?

Et tout ne doit pas fusionner. Les détecteurs d'ondes gravitationnelles sensibles peuvent détecter des objets binaires présentant un déséquilibre important, comme un trou noir ou une étoile à neutrons en orbite autour d'une étoile de séquence principale. Nous pourrions détecter les futures fusions par leurs ondes gravitationnelles.

Les ondes gravitationnelles sont-elles une distorsion momentanée de l’espace-temps ou laissent-elles une sorte d’effondrement permanent sur l’Univers que nous pourrions retracer? Verrons-nous des échos de gravité provenant des ondes gravitationnelles réfléchissant et se réfractant à travers le tissu cosmique?

Le plus grand défi sera peut-être d'utiliser les ondes gravitationnelles pour voir au-delà du rayonnement de fond cosmique hyperfréquence. Cette région nous montre l’univers 380 000 ans après le Big Bang, lorsque tout était suffisamment froid pour que la lumière se déplace librement dans l’univers.

Mais il y avait masse là-bas, avant ce moment. Masse en mouvement et en fusion qui aurait généré des ondes gravitationnelles. Comme nous l'avons expliqué dans un article précédent, les astronomes travaillent à trouver l'empreinte de ces ondes gravitationnelles sur le fond cosmique à micro-ondes, comme un écho ou une ombre. Peut-être y a-t-il un rayonnement de fond de gravitation cosmique plus profond, un rayonnement qui nous permettra de voir jusqu'au début des temps, quelques instants après le Big Bang.

Et comme toujours, il y aura des surprises. Les découvertes dans ce nouveau domaine que personne n'a jamais vu venir. Les moments «amusants» qui entraînent les chercheurs dans de nouveaux domaines de découverte et de nouvelles connaissances sur le fonctionnement de l'Univers.

Centre d'observation de l'onde gravitationnelle par interféromètre laser (LIGO) à Livingston, en Louisiane. L'autre installation est située à Hanford, dans l'État de Washington. Image: LIGO

Le projet LIGO a été lancé en 1994 et la première itération a été réalisée de 2002 à 2012 sans détection d'ondes gravitationnelles. Il était clair que l'installation n'était pas assez sensible, alors les chercheurs sont revenus et ont apporté des améliorations considérables.

En 2008, ils ont commencé à améliorer les installations et, en 2015, Advanced LIGO a été mis en ligne avec beaucoup plus de sensibilité. Grâce aux capacités accrues, Advanced LIGO a fait sa première découverte en 2016 et deux autres découvertes ont maintenant été ajoutées.

LIGO ne peut actuellement détecter que l'hémisphère général du ciel où une onde gravitationnelle a été émise. La prochaine amélioration de LIGO consistera donc à ajouter une autre installation en Inde, appelée INDIGO. En plus d'améliorer la sensibilité de LIGO, cela donnera aux astronomes trois observations de chaque événement pour détecter avec précision l'origine des ondes gravitationnelles. Ensuite, les astronomes visuels pourraient faire des observations de suivi pour cartographier l'événement avec n'importe quoi d'autres longueurs d'onde.

Les installations actuellement exploitées sur le réseau mondial comprennent les détecteurs jumeaux LIGO, situés à Hanford (Washington) et à Livingston (Louisiane), ainsi que le GEO600 en Allemagne. Le détecteur Virgo en Italie et le détecteur à ondes gravitationnelles Kamioka (KAGRA) au Japon font actuellement l'objet de mises à niveau et devraient être opérationnels en 2016 et 2018, respectivement. Un sixième observatoire est en préparation en Inde. Le fait de disposer d'un plus grand nombre d'observatoires d'ondes gravitationnelles à travers le monde aide les scientifiques à déterminer les emplacements et les sources d'ondes gravitationnelles provenant de l'espace. Image réalisée en février 2016. Crédit: Caltech / MIT / LIGO Lab

Une expérience européenne connue sous le nom de Virgo fonctionne également depuis quelques années, acceptant de collaborer avec l'équipe de LIGO si des détections sont effectuées. Jusqu’à présent, l’expérience Virgo n’a rien trouvé, mais sa sensibilité est 10 fois supérieure, ce qui devrait être pleinement opérationnel d’ici 2018.

Une expérience japonaise appelée Détecteur d'ondes gravitationnelles de Kamioka, ou KAGRA, sera également mise en ligne en 2018 et pourra contribuer aux observations. Il devrait être capable de détecter les fusions d'étoiles à neutrons binaires à près d'un milliard d'années-lumière.

Rien que pour l’astronomie visuelle, un ensemble de télescopes à ondes supergravitationnelles de nouvelle génération devrait être mis en service dans les prochaines décennies.

Les Européens construisent actuellement le télescope Einstein, qui comportera des bras de détection de 10 km de long, contre 4 km pour le LIGO. C'est comme, 6 km de plus.

Il existe une antenne spatiale (LISA), l’interféromètre laser de l’Agence spatiale européenne, qui pourrait être lancée en 2030. Elle sera composée d’une flotte de 3 satellites qui maintiendra une distance précise de 2, 5 millions de km L'une et l'autre. Comparez cela aux distances de détection basées sur la Terre et vous comprendrez pourquoi l'avenir des observations viendra de l'espace.

L'antenne spatiale interféromètre laser (LISA) est constituée de trois satellites en orbite autour du soleil dans une configuration triangulaire. Crédit: NASA

Et cette dernière idée, remonter au début des temps, pourrait être une possibilité avec la mission Big Bang Observer, qui aura une flotte de 12 engins spatiaux volant en formation. Tout est encore dans la phase de proposition, donc pas de date concrète pour savoir si ou quand ils voleront réellement.

L'astronomie par ondes gravitationnelles est l'un des domaines les plus passionnants de l'astronomie. Ce tout nouveau sens pousse notre compréhension du cosmos dans des directions entièrement nouvelles, nous permettant de voir des régions que nous n'aurions jamais pu imaginer explorer auparavant. J'ai hâte de voir ce qui se passera ensuite.

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