Ondes gravitationnelles : quatrième fusion de trous noirs observée par LIGO-Virgo

Par Nicolas Arnaud / Publié le 27 septembre 2017

Les collaborations LIGO et Virgo dans laquelle des équipes du Laboratoire d’Accélérateur Linéaire (CNRS/Université Paris-Sud) sont largement impliquées, viennent d’annoncer une quatrième détection d’une fusion de deux trous noirs. Cette avancée marque le début d’une nouvelle ère pour l’étude des ondes gravitationnelles.

Aujourd’hui mercredi 27 septembre 2017, les collaborations LIGO et Virgo ont annoncé en marge du sommet « G7 Science » à Turin une quatrième détection d’une fusion de deux trous noirs. Le signal a été enregistré le 14 août dernier vers 12h31, pour la première fois par trois instruments. En effet, les deux détecteurs « Advanced LIGO » – fonctionnels depuis septembre 2015 et dont les données ont déjà permis d’identifier les ondes gravitationnelles produites par trois fusions de trous noirs – avaient été rejoints le 1er août par le détecteur « Advanced Virgo».

Ce nouvel événement, baptisé GW170814, est décrit dans un article accepté par la revue Physical Rewiew Letters.


En bleu et en traits pleins, les quatre systèmes binaires de trous noirs détectés par LIGO et Virgo classés par ordre chronologique. GW170814 est le dernier à droite. © LSC/Sonoma State University/Aurore Simonnet.

Cette découverte illustre de manière éclatante l’intérêt de disposer d’un réseau de trois détecteurs. D’une part, la précision sur la localisation de la source dans le ciel est considérablement améliorée (d’un facteur 10 environ pour GW170814 par rapport au cas où seules les données des deux détecteurs LIGO sont utilisées) et d’autre part de nouveaux tests de la relativité générale deviennent possibles. C’est de bon augure pour la prise de données commune LIGO-Virgo « O3 » qui devrait commencer dans un an environ, après une nouvelle série d’améliorations sur les trois instruments.

Ces vibrations de l’espace-temps

Les ondes gravitationnelles sont des vibrations de l’espace-temps produites en particulier lors d’événements cataclysmiques qui ont lieu dans le cosmos, comme la fusion de deux trous noirs. GW170814 fait partie de cette catégorie : deux trous noirs pesant 31 et 25 fois la masse du Soleil et situés à environ 1,8 milliard d’années-lumière de la Terre ont fusionné, donnant naissance à un trou noir unique de 53 masses solaires. Lors de ce phénomène, une énergie considérable, équivalente à celle contenue dans trois masses solaires, a été émise sous forme d’ondes gravitationnelles.


Photo aérienne du site du détecteur Virgo, construit sur la commune de Cascina près de Pise en Italie. © The Virgo Collaboration / Nicolas Baldocchi

Cet événement n’est que le quatrième publié par les collaborations LIGO et Virgo en deux ans. Et, si les trous noirs observés le 14 août ont des propriétés similaires à ceux des détections précédentes, ce signal a ceci de particulier que c’est le premier à avoir été vu par trois détecteurs : les deux instruments « Advanced LIGO » et « Advanced Virgo ».

Cette avancée marque le début d’une nouvelle ère pour l’étude des ondes gravitationnelles car le potentiel d’un réseau de trois détecteurs est bien supérieur à celui formé par les instruments LIGO uniquement.

Le Laboratoire de l’Accélérateur Linéaire, membre fondateur de la collaboration Virgo

La Collaboration Virgo comprend plus de 280 scientifiques issus de 20 laboratoires européens différents – dont le Laboratoire de l’Accélérateur Linéaire (LAL, UPSud/CNRS), l’un de ses membres fondateurs. Les activités actuelles du groupe Virgo-LAL se répartissent entre deux pôles principaux : l’exploitation scientifique des données Virgo-LIGO et des activités centrées sur le détecteur.


Comparaison des régions du ciel sélectionnées par l’analyse rapide des données des détecteurs LIGO uniquement (en bleu) et LIGO-Virgo (en vert). La taille de la région diminue d’un facteur 10 environ avec l’ajout de Virgo. © The Virgo Collaboration / Giuseppe Greco.

En analyse des données, les contributions du groupe portent actuellement sur la recherche de signaux transitoires longs émis lors de phénomènes d’accrétion autour d'un trou noir stellaire ou bien par une étoile à neutrons nouvellement formée. L'autre grand sujet de recherche porte sur les signaux émis par des cordes cosmiques. Les physiciens du groupe travaillent également sur le système d’alerte en temps réel du réseau LIGO-Virgo ainsi que sur les analyses « multi-messagers » qui exploitent à la fois les données des détecteurs interférométriques d’ondes gravitationnelles et celles des télescopes partenaires. En particulier, le groupe travaille depuis de nombreuses années sur les recherches en coïncidence de signaux d’ondes gravitationnelles et de sursauts gamma.

Historiquement, le groupe Virgo du LAL a été responsable de la construction des tubes à vide de grand diamètre qui forment les deux bras de 3km de l’interféromètre et dans lesquels circulent les faisceaux laser ainsi que d’une grande partie du software de l’expérience (contrôle longitudinal et angulaire de l'interféromètre, contrôle-commande du vide, outils softwares généraux ...). Les activités « détecteur » actuelles portent sur le contrôle de l’instrument : comment l’amener à son point de fonctionnement et l’y maintenir, à la fois longtemps et avec précision. Une étudiante de l’équipe a notamment soutenu sa thèse sur le contrôle d’Advanced Virgo début septembre. Le groupe est également moteur au sein de Virgo pour ce qui concerne les études de qualité des données. Enfin, la plate-forme CALVA située au laboratoire permet de tester des configurations optiques et des techniques de contrôle qui pourront dans le futur être mises en œuvre sur les instruments LIGO et Virgo.

Contacts :
Patrice Hello - Responsable du groupe VIRGO au Laboratoire de l'Accélérateur Linéaire - LAL (UPSud/CNRS) - hello @ lal.in2p3.fr
Nicolas Arnaud - Chercheur CNRS au Laboratoire de l'Accélérateur Linéaire  - LAL (UPSud/CNRS) - narnaud @ lal.in2p3.fr

Pour en savoir plus :
•    Lire l’article dans son intégralité sur le site du LAL : https://www.lal.in2p3.fr
•    Site internet de la collaboration Virgo : http://www.virgo-gw.eu

Références
GW170814 : A three-detector observation of gravitational waves from a binary black hole Coalescence. The LIGO Scientific Collaboration and The Virgo Collaboration, soumis à Physical Review Letters. https://dcc.ligo.org/P170814 ou https://tds.virgo-gw.eu/GW170814

Dernière modification le 28 septembre 2017