Double première mondiale : des trous noirs aux ondes gravitationnelles

Par Gaëlle Degrez et Cécile Pérol / Publié le 11 février 2016

La nouvelle attendue avec impatience depuis la prédiction d'Einstein en 1916 vient de tomber cet après-midi à 16h30. La collaboration internationale LIGO/VIRGO impliquant le Laboratoire de l'Accélérateur Linéaire -LAL (UPSud/CNRS) vient de confirmer l'observation d'ondes gravitationnelles émises lors de la fusion de deux trous noirs. Cette découverte remarquable marque le début d'une nouvelle ère prometteuse pour l'astronomie.


Les trous noirs sont des objets étranges qui sont si compacts que même la lumière ne peut échapper à leur gravité. On pense que la plupart des galaxies de l'Univers, dont la Voie Lactée, abritent un trou noir supermassif en leur centre, dont la masse est des millions voire des milliards de fois celle du Soleil. © LAL (CNRS / UPSud)

Les ondes gravitationnelles sont des « ondulations » de l'espace-temps produites par certains des événements les plus violents du cosmos comme les fusions d'astres compacts et massifs. Leur existence a été prédite par Einstein il y a tout juste un siècle, lorsqu'il a montré que l'accélération de ces objets ébranlait l'espace-temps si bien que des ondes transportant ces distorsions de l'espace étaient émises. Ces ondulations voyagent à la vitesse de la lumière à travers l'Univers, emportant avec elles des informations sur leur origine violente, ainsi que des indices très précieux pour comprendre la nature de la gravitation.

Si les scientifiques avaient accumulé des preuves convaincantes de leur existence, il manquait encore d'en faire une détection directe. Pour y parvenir ils ont développé de puissants instruments de détections, des interféromètres laser. C'est une collaboration internationale liant deux d'entre eux, l'américain LIGO et le franco-italien Virgo, qui vient d'annoncer la nouvelle : non seulement la première détection directe des ondes gravitationnelles, mais aussi la première observation de la fusion (coalescence) de deux trous noirs !

Fusion de deux trous noirs

L'événement extrême qui a produit le signal observé a eu lieu dans une galaxie située à plus d'un milliard d'années-lumière de la Terre. Il a été observé le 14 septembre 2015 à 11h51 (heure de Paris) par les deux détecteurs de l'Observatoire des ondes gravitationnelles par interférométrie laser (Laser Interferometer Gravitational-wave Observatory, LIGO).

Le signal GW150914 a été produit par la fusion de deux trous noirs de 36 et 29 masses solaires, tandis que le trou noir final avait une masse d'environ 62 masses solaires. Si l'on compare les masses des trous noirs avant et après la fusion, on constate que la fusion a converti environ trois fois la masse du Soleil en énergie émise sous forme d'ondes gravitationnelles, pour l'essentiel en moins d’une seconde. En fait, la puissance en ondes gravitationnelles émise a atteint à son paroxysme plus de dix fois la luminosité combinée émise par l'ensemble des étoiles et des galaxies de l'Univers observable dans le domaine électromagnétique.


Vue de l’une des deux salles blanches de la plate-forme CALVA. Cette double cavité (5 m et 50 m) suspendue et sous vide permet de tester et de valider des stratégies d’acquisition du contrôle des cavités qui pourront ensuite être mises en œuvre pour Advanced Virgo. Ces développements sont menés en collaboration avec le “Laboratoire de Physique et d’Etude des Matériaux” (LEPM) de “l’Ecole Supérieure de Physique et de Chimie Industrielles de la ville de Paris” (ESPCI). (Crédits: CNRS/Cyril Frésillon)

Le LAL, membre fondateur de Virgo

C'est dans les années 2000 qu'un ensemble d'interféromètres de première génération a été mis en service : TAMA300 au Japon, GEO600 en Allemagne, LIGO aux Etats-Unis et Virgo en Italie (près de Pise).

La collaboration Virgo comprend plus de 250 physiciens, ingénieurs et techniciens appartenant à 19 laboratoires situés dans cinq pays européens (France-Italie-Pays-Bas-Hongrie et Pologne). Le Laboratoire de l’accélérateur linéaire -LAL-(UPSud/CNRS) est l’un des membres fondateurs de la collaboration Virgo.

Historiquement, outre ses contributions sur le contrôle de l’instrument et de certains de ses composants (laser, positionnement global des miroirs, système de pompage), le groupe du LAL a été responsable de la construction des tubes à vide de grand diamètre dans lesquels la lumière circule dans les deux bras de 3 km de l’interféromètre. Actuellement, ses activités sont partagées entre l’exploitation scientifique des données enregistrées et la préparation d’« Advanced Virgo » (le détecteur de seconde génération), en particulier grâce à la plate-forme CALVA développée au laboratoire.


Une manipulation sur la plate-forme CALVA du LAL. (Crédits: CNRS/Cyril Frésillon)

Depuis mai 2007, un accord lie Virgo et LIGO ; en particulier, les prises de données sont communes et tout le travail d’analyse est fait sous la responsabilité de deux « Data Analysis Coordinators », un pour chaque collaboration.

Cette première détection directe des ondes gravitationnelles ainsi que la première observation d'une fusion de deux trous noirs sont des résultats remarquables, mais ils ne représentent que la première page d'un nouveau chapitre de l'astronomie. La prochaine décennie verra le réseau mondial de détecteurs progresser encore, améliorant ainsi notre capacité à localiser les sources d'ondes gravitationnelles dans le ciel et à estimer de manière plus précise leurs propriétés. L'astronomie gravitationnelle a un avenir brillant devant elle !

Tout savoir sur Virgo grâce à une vidéo réalisée en 2006

Lien vers le site de l'équipe Virgo du LAL

Lire le communiqué de presse

Visite virtuelle de la plate-forme CALVA

Dernière modification le 11 février 2016