Ondes gravitationnelles : la fusion de deux trous noirs très différents détectée pour la première fois

Cela fait maintenant plusieurs années que nous sommes entrés dans l'ère de l'astronomie gravitationnelle grâce aux travaux pionniers de Kip Thorne et Rainer Weiss d'un côté de l'Atlantique, et d'Alain Brillet et Thibault Damour de l'autre côté, sans oublier tous les autres membres des collaborations LigoLigo et VirgoVirgo qui ont permis la détection et l'analyse des ondes gravitationnellesondes gravitationnelles ainsi que, bien évidemment, tant d'autres noms associés depuis des décennies à leur quête (Ron Drever, Vladimir Braginsky etc...). Rappelons que ces ondes, prédites par la théorie relativiste de la gravitation d'EinsteinEinstein, sont des ondes dans la structure de l'espace-temps qu'elles déforment un peu à la façon dont le ferait une onde sonore dans un solide.

La première source détectée était, rappelons-le également, GW150914, et il s'agissait de la fusion de deux trous noirstrous noirs de massemasse stellaire. Une partie de la masse totale des deux objets qui contenaient chacune environ 30 fois la masse du SoleilSoleil, a été convertie en ondes gravitationnelles. Pour se donner une idée de l'énergieénergie qu'un tel évènement représente, imaginons que, si ces ondes gravitationnelles avaient été des ondes électromagnétiquesondes électromagnétiques, alors la source de la collision observée en septembre 2015 aurait paru dans notre ciel plus lumineuse que la pleine Lunepleine Lune. Pourtant, l'évènement s'est produit à environ 1,3 milliard d'années-lumièreannées-lumière de la Voie lactéeVoie lactée.

Des collisions d’étoiles à neutrons ont aussi été découvertes via leurs émissionsémissions d'ondes gravitationnelles mais aussi électromagnétiques, ce qui donne un nouvel essor à ce que l'on appelle l'astronomie multimessager qui peut combiner les signaux de ces ondes avec également des flux de neutrinosneutrinos.

En ce qui concerne les fusions de trous noirs, Ligo et Virgo n'avaient détecté jusqu'à présent que des collisions avec des astresastres compacts de masses comparables, comme dans le cas de GW150914. Mais, aujourd'hui, alors que la troisième campagne d'observations avec ces détecteurs d'ondes gravitationnelles -- le run O3, comme disent les chercheurs -- avait débuté le 1^er avril 2019, les astronomesastronomes viennent de révéler avec un article sur arXiv qu'un signal bien particulier avait été mesuré par Ligo et Virgo le 12 avril 2019 à 07 h 30 mn 44 s, heure de Paris. En effet, tout indique que la source nommée GW190412 a mis en jeu la fusion de deux trous noirs dont les masses sont vraiment différentes cette fois-ci : une première !

De même que le son produit par un instrument de musique peut donner des informations sur la structure et la composition de l'instrument, les ondes gravitationnelles émises par la collision et la fusion de deux trous noirs sont riches en informations de toutes sortes, en particulier la masse et le moment cinétiquemoment cinétique associé à la rotation de chaque trou noir mais aussi l'inclinaison relative par rapport à nous du plan orbital initial des deux astres compacts avant fusion et, bien sûr, la distance à laquelle elle s'est produite. On peut également tester la relativité généralerelativité générale à la recherche d'une nouvelle physiquephysique qui la prolonge, par exemple celle de la théorie des supercordes.

Une clé pour comprendre la naissance des trous noirs stellaires binaires

On a ainsi découvert que, dans le cas de GW190412, l'un des deux astres devait non seulement être environ 3 à 4 fois plus massif que l'autre mais aussi que les trous noirs qui ont fusionné avaient des masses de l'ordre de 30 et 8 fois la masse du Soleil. L'événement se serait produit à environ 2,3 milliards d'années-lumière de la Voie lactée.

Les astrophysiciensastrophysiciens relativistes vont encore plus loin aujourd'hui grâce à cette asymétrie de masse. On sait que les ondes (sonores, lumineuses etc...) peuvent être décomposées en somme d'ondes d'une fréquencefréquence simple et bien déterminée décrites par des sinusoides élémentaires. Il y a donc un spectrespectre comme disent les physiciensphysiciens avec certaines fréquences présentes et d'autres non. Chacune de ces ondes élémentaires a aussi une amplitude, de sorte que certaines composantes, dans le cas d'un son par exemple, seraient très fortes et d'autres presque inaudibles. Ces harmoniques sont en quelque sorte la carte d'identité d'un son et donc d'un instrument de musique et de la partitionpartition que l'on peut jouer avec lui.

Dans le cas de GW190412, les chercheurs ont pu mesurer des harmoniques théoriquement prédites par les équationséquations de la relativité d'Einstein que l'on n'arrivait pas encore à observer à la fois parce que les masses des trous noirs en jeu étaient comparables mais aussi, dans une moindre mesure, parce que la sensibilité des détecteurs est sans cesse améliorée lors de pauses entre deux « runs ».

Dans un communiqué du CNRS, qui est impliqué dans la collaboration europénne Virgo utilisant le détecteur situé non loin de Pise, en Italie, Giancarlo Cella, chercheur à l'Istituto nazionale di Fisica Nucleare (INFN) italien et actuellement coordinateur de l'analyse de données pour la Collaboration Virgo, explique ainsi que « les détecteurs Virgo et Ligo deviennent de plus en plus sensibles, le taux de détection augmente et nous nous attendons à observer des événements nouveaux ou inattendus. GW190412 est inhabituel et intéressant, à cause de la grande différence de masse entre les deux trous noirs qui ont fusionné. Nous découvrons que de tels systèmes existent et en apprenons plus sur leur rareté. Cela nous permettra de comprendre comment ils se sont formés, une question qui me passionne ».

La théorie de la gravitation d'Einstein en sort renforcée ainsi que la théorie des trous noirs basée sur la fameuse métrique de Kerr décrivant l'espace-temps associé à un trou noir en rotation. Enfin, il se trouve qu'il y a plusieurs scénarios permettant de rendre compte de la disparité entre les masses des trous noirs dans des systèmes binairessystèmes binaires et qui conduisent à des prédictions quant aux populations de ces objets. Ces scénarios dépendent notamment des lieux de formation des trous noirs binaires, par exemple dans des amas globulairesamas globulaires ou autour de trous noirs supermassifs. Les prochaines détections de collisions de trous noirs, renforcées par l'arrivée de nouveaux détecteurs comme Kagra, devraient donc être très instructives aussi bien pour la physique fondamentale que pour l'astrophysiqueastrophysique.