Le nouveau catalogue LIGO–Virgo–KAGRA établit de nouveaux records en matière d’astronomie gravitationnelle de précision

Le réseau international de détecteurs d’ondes gravitationnelles LIGO, Virgo et KAGRA (LVK) a annoncé aujourd’hui la mise en ligne d’un catalogue mis à jour de tous les événements d’ondes gravitationnelles observés à ce jour, intitulé Gravitational Wave Transient Catalogue-5.0 (GWTC-5), les articles scientifiques correspondants étant en cours de soumission chez Astrophysical Journal et Astrophysical Journal Letters. Les données analysées dans ce travail ont été collectées par les détecteurs entre avril 2024 et fin janvier 2025, au cours d’une partie de la quatrième campagne d’observation (O4) connue sous le nom d’O4b. Au cours de cette période, 161 nouveaux événements d’ondes gravitationnelles ont été détectés, portant le nombre total d’événements confirmés observés par le réseau depuis la première détection en 2015 au chiffre impressionnant de 390. 

Le réseau international LVK se compose des deux détecteurs jumeaux de l'Observatoire d'ondes gravitationnelles par interférométrie laser (NSF LIGO) de la Fondation nationale pour la science des États-Unis, du détecteur Virgo hébergé par l'Observatoire européen des ondes gravitationnelles en Italie et du détecteur japonais KAGRA hébergé par l'Institut de recherche sur les rayons cosmiques (ICRR) de l'Université de Tokyo. 

Cette dernière mise à jour du catalogue, ainsi que la précédente (GWTC-4), couvrant les événements enregistrés entre mai 2023 et janvier 2024, contient 75 % de tous les événements d'ondes gravitationnelles observés à ce jour depuis la première détection en 2015. Ce résultat impressionnant démontre à quel point les mises à niveau des détecteurs sont cruciales pour accroître la sensibilité, ce qui conduit à une croissance extraordinaire du nombre d'événements détectés à chaque campagne d'observation successive. En effet, la collaboration internationale LIGO–Virgo–KAGRA (LVK) alterne des périodes de collecte de données (campagnes d’observation) avec des phases consacrées à la mise à niveau et à la mise en service des détecteurs. C’est également la raison pour laquelle le catalogue des événements d’ondes gravitationnelles — comprenant les données validées et les paramètres physiques des sources — est mis à jour et partagé périodiquement avec l’ensemble de la communauté scientifique.

« L’extraordinaire sensibilité de nos détecteurs », déclare Ed Porter, chercheur à l’APC (CNRS / Université Paris Cité), « nous permet désormais de capter trois ou quatre signaux d’ondes gravitationnelles chaque semaine. Cette mine de données en constante expansion, qu’une communauté entière de scientifiques et d’astronomes s’efforce d’analyser et d’étudier, nous a fait passer de l’ère des premières découvertes à celle de l’astronomie gravitationnelle de précision. Aujourd’hui, les études sur les ondes gravitationnelles permettent des analyses auparavant inimaginables : des enquêtes sur les populations de trous noirs, des tests de plus en plus précis de la relativité générale dans les conditions physiques extrêmes des phénomènes que nous observons, et le développement de nouvelles méthodes pour obtenir des estimations toujours plus précises de la constante de Hubble. C’est un scénario sur lequel peu de gens auraient parié il y a seulement dix ans. »

Outre les nouvelles perspectives ouvertes par ce nombre extraordinaire d’observations, le nouveau catalogue comprend également plusieurs détections qui sont elles-mêmes exceptionnelles et établit de nouveaux records dans les observations en astronomie des ondes gravitationnelles : la meilleure localisation céleste jamais obtenue pour une source d’ondes gravitationnelles, le signal d’onde gravitationnelle le plus clair jamais enregistré, et la preuve de l’existence de trous noirs de deuxième génération.

La meilleure localisation céleste jamais obtenue

Un signal détecté par les deux détecteurs LIGO aux États-Unis et Virgo en Europe le 15 juin 2024 — et donc baptisé GW240615 — a établi le record de la localisation la plus précise dans le ciel parmi tous les événements d’ondes gravitationnelles observés à ce jour. La source a été identifiée dans une zone de seulement 6 degrés carrés, une portion relativement petite de la sphère céleste. Cette performance exceptionnelle a été rendue possible grâce à la triangulation utilisant les données des trois détecteurs alors en service, y compris Virgo, qui a rejoint la campagne d’observation en avril 2024 au début de la phase O4b, contribuant ainsi de manière significative aux capacités de localisation des sources du réseau.

« Une localisation de plus en plus précise des sources cosmiques est clairement l’une des priorités de l’ensemble de la communauté astronomique, afin de rechercher, dans la plus petite région possible du ciel, tout signal électromagnétique généré par les événements observés — en particulier dans le cas de fusions d’étoiles à neutrons ou entre un trou noir et une étoile à neutrons », déclare Marie Anne Bizouard, porte-parole de la collaboration Virgo et chercheuse au CNRS à Nice. « Nous savions que la contribution de Virgo serait décisive pour améliorer la localisation des sources d’ondes gravitationnelles observées, et nous sommes fiers du travail exceptionnel accompli par l’équipe chargée de la mise en service du détecteur, qui a été récompensé par ce résultat record. »

« Les chercheurs et ingénieurs de la collaboration travaillent intensivement sur une jouvence de l'instrument qui permettra entre autre une amélioration de la localisation des sources dans la prochaine décennie », ajoute Loïc Rolland, responsable scientifique de Virgo à CNRS Nucléaire & Particules.

L’événement d’onde gravitationnelle observé avec cette localisation record était la fusion de deux trous noirs, d’une masse d’environ 26 et 30 masses solaires, qui sont entrés en collision violente à plus de 3 milliards d’années-lumière de la Terre. Les progrès réalisés dans la capacité du réseau à localiser les événements, associés à l'augmentation de la taille de l'ensemble de données, ont également permis d'obtenir une meilleure estimation de la constante de Hubble, H₀, qui indique la vitesse à laquelle l'Univers est actuellement en expansion. À l'aide de l'ensemble de données GWTC-5, la collaboration LVK a obtenu une nouvelle mesure indépendante de la constante de Hubble, H0 = 71,0-7+9 km s-1 Mpc-1, qui est un peu plus de 25 % plus précise que l'estimation issue de la précédente publication du catalogue. Cette valeur est tout à fait cohérente avec les mesures établies de longue date concernant à la fois notre voisinage cosmique et l'Univers primitif, mais elle n'est pas encore suffisamment précise pour résoudre la tension entre ces mesures. 

Le signal d’onde gravitationnelle le plus clair jamais enregistré

Détecter des ondes gravitationnelles ne signifie pas simplement capter un signal, mais l’extraire du bruit qui perturbe les détecteurs. Cela nécessite d’intenses efforts d’atténuation du bruit et des analyses de données hautement sophistiquées, c’est pourquoi la « force » ou la « clarté » d’un signal est exprimée par le rapport signal/bruit (SNR). Le catalogue publié aujourd’hui comprend le signal d’onde gravitationnelle le plus « clair » jamais détecté, avec un rapport signal/bruit de 76,9. Ce signal, GW250114, a atteint la Terre le 14 janvier 2025 et a été généré par la fusion de deux trous noirs de masses presque identiques (respectivement 32 et 34 fois la masse du Soleil), survenue à plus d’un milliard d’années-lumière de la Terre. Sa « clarté » a permis d’obtenir des résultats scientifiques exceptionnels, qui ont déjà été publiés et annoncés par la collaboration LVK ces derniers mois, notamment le test le plus précis jamais réalisé de la relativité générale et la confirmation du théorème de Stephen Hawking sur l’aire des trous noirs.

« Lorsque deux trous noirs fusionnent, la collision résonne comme une cloche, émettant des tonalités spécifiques caractérisées par deux nombres : une fréquence d’oscillation et un temps d’amortissement, » explique Keefe Mitman, physicien à l’université Cornell. « Si vous mesurez une tonalité dans les données issues d’une collision, vous pouvez calculer la masse et le spin du trou noir formé lors de la collision. Mais si vous mesurez deux tonalités ou plus dans les données – ce qu’un signal clair tel que GW250114 permet –, chacune d’entre elles vous donne en fait une mesure différente de la masse et du spin, selon la relativité générale ». 

« Si ces deux mesures concordent, vous vérifiez effectivement la relativité générale », ajoute Mitman. « Mais si vous mesurez deux tonalités qui ne correspondent pas à la même combinaison de masse et de spin, vous pouvez commencer à évaluer dans quelle mesure vous vous êtes écarté des prédictions de la relativité générale. » GW250114 était suffisamment clair pour que les chercheurs puissent mesurer deux tonalités et en déterminer une troisième. Toutes concordent avec la relativité générale d’Einstein. 

Les trous noirs de deuxième génération

Un autre résultat remarquable, inclus dans le nouveau catalogue publié aujourd’hui — bien qu’il ait déjà été annoncé par la collaboration LVK ces derniers mois — concerne deux événements très particuliers : GW241011 et GW241110. Ces signaux, détectés en octobre et novembre 2024, à seulement un mois d'intervalle, ont été générés par deux fusions de trous noirs, situées respectivement à environ 700 millions et 2,4 milliards d'années-lumière de la Terre. Certaines caractéristiques de ces fusions — en particulier la rotation des trous noirs (c'est-à-dire l'orientation et la vitesse de leur rotation) — indiquent que les objets impliqués pourraient être des trous noirs de « deuxième génération », c'est-à-dire des trous noirs qui sont eux-mêmes le résultat de fusions antérieures. Ces objets se sont probablement formés dans des environnements cosmiques très denses et encombrés, tels que les amas stellaires, où les trous noirs sont plus susceptibles d'entrer en collision et de fusionner à plusieurs reprises. Le nombre croissant d’événements observés a également permis aux chercheurs d’étudier et d’identifier de plus en plus clairement les propriétés de différentes populations de trous noirs, et l’un des articles accompagnant le catalogue traite précisément de cet aspect spécifique. 

« L’un des indices les plus intrigants qui ressort du nouveau catalogue est l’apparition d’un groupe de trous noirs dont la masse est comprise entre environ 10 et 20 fois celle du Soleil et qui semblent partager une caractéristique commune : ils tournent rapidement, ce qui laisse penser qu’il s’agit de trous noirs de « deuxième génération », commente Mario Spera.  Le mystère ne réside pas simplement dans le fait que ces trous noirs tournent vite, mais dans la raison pour laquelle cette sous-population apparaît précisément à ces masses. C'est un indice supplémentaire qui laisse penser que certains éléments d’explication de la naissance, de l'évolution et de la fusion des trous noirs nous sont encore inconnus. Et ce tableau s'enrichira et deviendra de plus en plus surprenant à chaque nouveau catalogue d'ondes gravitationnelles publié par LVK.