Un carillon de collisions cosmiques : le nouveau catalogue des signaux gravitationnels de LIGO, Virgo et KAGRA

Le réseau international de détecteurs d’ondes gravitationnelles — LIGO aux États-Unis, Virgo en Italie et KAGRA au Japon (LVK) — a annoncé le 5 mars 2026 la publication d’un catalogue mis à jour de tous les événements gravitationnels répertoriés à ce jour, intitulé Gravitational-Wave Transient Catalogue-4.0 (GWTC-4).

Ces résultats sont le fruit d’analyses rigoureuses menées pendant plus de deux ans par les scientifiques de la collaboration LVK sur les nouveaux signaux observés, afin de confirmer leur validité et d’étudier leurs implications astrophysiques et cosmologiques les plus importantes. Bien que certains de ces événements aient déjà été annoncés ces derniers mois, la publication du nouveau catalogue offre une perspective unique sur l’ensemble et l’ampleur de tous les signaux observés par la collaboration LVK entre mai 2023 et janvier 2024 (au cours du cycle d’observation appelé O4a), et montre comment l’Univers sonne comme un véritable carillon de collisions cosmiques.

Un catalogue riche et varié 

Le catalogue, qui fait l’objet d’une série d’articles publiés dans Astrophysical Journal Letters, recense 128 nouveaux événements, faisant plus que doubler le nombre du catalogue précédent, qui contenait les 90 signaux détectés lors des trois campagnes d’observation précédentes. Les données, désormais accessibles pour des analyses ultérieures par des groupes de recherche extérieurs à la collaboration LVK, révèlent une variété encore plus grande d’astres binaires produisant des ondes gravitationnelles que ce qui était connu auparavant. Parmi celles-ci figurent :

• la paire de trous noirs la plus massive jamais détectée grâce aux ondes gravitationnelles,
• une paire de trous noirs présentant la plus grande asymétrie de masse jamais observée,
• une paire où les deux trous noirs présentent des spins exceptionnellement élevés,
• ainsi que deux systèmes binaires composés d’un trou noir et d’une étoile à neutrons.

« Au cours de la dernière décennie, l’astronomie des ondes gravitationnelles est passée de la première détection à l’observation de centaines de fusions de trous noirs », déclare Stephen Fairhurst, professeur à l’Université de Cardiff et porte-parole de la collaboration scientifique LIGO. « Ces observations nous permettent de mieux comprendre comment les trous noirs se forment à partir de l’effondrement d’étoiles massives, d’explorer l’évolution cosmologique de l’Univers et d’apporter des confirmations de plus en plus rigoureuses à la théorie de la relativité générale. »

« La publication du catalogue GWTC-4 représente un bond en avant décisif, ajoutant 128 nouveaux signaux à notre registre en moins d’un an d’observation », déclare Gianluca Gemme, porte-parole de Virgo et chercheur à l’INFN. « Cette richesse de données révèle un véritable carillon de collisions cosmiques : des trous noirs binaires les plus massifs jamais détectés, comme GW231123, à des paires tournant à près de la moitié de la vitesse de la lumière. Il ne s’agit plus de simples anomalies rares ; ces données fournissent la base statistique dont nous avons besoin pour tester la relativité générale d’Einstein avec une précision sans précédent et pour fournir une nouvelle mesure indépendante de la vitesse d’expansion de notre Univers. Pour Virgo et le réseau LVK, ces résultats prouvent que nous cartographions désormais l’évolution complexe du cosmos avec une clarté inégalée. »

Des signaux inhabituels 

Parmi les signaux les plus inhabituels détectés lors de la première phase de la campagne d’observation O4 figure GW231123 (le nom fait référence au jour où le signal a été observé) : ce signal a été généré par le système binaire de trous noirs le plus massif jamais détecté à ce jour, chacun ayant une masse d’environ 130 fois celle du Soleil. La plupart des trous noirs des systèmes binaires détectés ont une masse d’environ 30 masses solaires. Les trous noirs beaucoup plus massifs qui ont généré GW231123 suggèrent que chacun d’eux pourrait être le résultat d’une collision précédente entre des trous noirs « progéniteurs » plus légers, probablement dans des environnements cosmiques extrêmement denses et chaotiques.

Un autre cas d’intérêt exceptionnel est celui de GW231028, généré par une paire de trous noirs ayant le spin le plus élevé jamais observé : les deux trous noirs tournent très rapidement, à environ 40 % de la vitesse de la lumière. Là encore, les scientifiques suspectent que ces trous noirs pourraient être le produit de collisions précédentes, d’où ils tireraient leur grande énergie rotationnelle. Parmi les événements du catalogue figure également GW231118, généré par une paire inhabituellement déséquilibrée, avec un trou noir deux fois plus massif que l’autre.

Grâce aux dernières détections d’ondes gravitationnelles et à la croissance significative des données sur les fusions de trous noirs, les scientifiques ont également commencé à étudier les propriétés des trous noirs en termes de populations. « Lorsque nous détectons des signaux inattendus comme GW231123 et GW231028, nous sommes confrontés à la fois à un défi et à une opportunité passionnante. Ces découvertes nous rappellent que l’Univers peut encore nous surprendre. Pour le comprendre complétement, nos modèles scientifiques doivent être capables d’expliquer — et même d’anticiper — toute la gamme de signaux que la nature crée », déclare Filippo Santoliquido, chercheur à l’Institut Gran Sasso Science.

 Einstein a-t-il toujours raison ? 

Les nouvelles découvertes permettent, par exemple, de tester plus profondément et avec plus de précision la théorie de la relativité générale d’Einstein : cette théorie, qui a révolutionné notre vision de l’Univers il y a un siècle en décrivant la gravité comme une propriété géométrique de l’espace et du temps, a depuis été validée par de nombreux tests expérimentaux et d’observations, prouvant qu’elle reste la meilleure description théorique de la gravité dont nous disposons.

Cependant, le fait que les collisions de trous noirs secouent l’espace et le temps plus intensément que presque tout autre phénomène concevable en fait également des candidats idéaux pour tester la théorie elle-même. « Lorsque nous testons nos théories physiques, il est pertinent de considérer les situations les plus extrêmes possibles, car c’est là que nos théories sont les plus susceptibles d’échouer et où nous avons les meilleures chances de faire des découvertes », ajoute Aaron Zimmerman, professeur associé de physique à l’Université du Texas à Austin.

Les chercheurs ont testé la théorie d’Einstein en utilisant GW230814, l’un des signaux d’ondes gravitationnelles les plus « puissants » de ce dernier catalogue. La clarté surprenante du signal a permis de l’examiner en détail pour voir si certains de ses aspects s’écartaient de la théorie d’Einstein. Cependant, jusqu’à présent, la théorie passe tous les tests.

« Je suis ravi de voir comment le nombre croissant et la qualité améliorée des détections d’ondes gravitationnelles permettent des tests de plus en plus sensibles de la relativité générale dans le régime dynamique et à champ fort de la gravité », déclare Soumen Roy, chercheur à l’UCLouvain, au centre de Cosmologie, Physique des Particules et Phénoménologie (CP3) en Belgique. « Avec les futures observations couvrant une gamme plus large de masses de trous noirs, de spins et d’excentricités orbitales, nous pourrons imposer des contraintes plus strictes aux théories alternatives de la gravité ou potentiellement découvrir des signatures de nouvelle physique. »

À quelle vitesse l’Univers s’étend-il ? 

Un autre grand mystère de la cosmologie concerne la vitesse à laquelle notre Univers s’étend aujourd’hui. Pour répondre à cette question, il est crucial d’estimer la constante de Hubble, qui indique la vitesse d’expansion de l’Univers aujourd’hui. Plusieurs estimations de cette constante, utilisant différentes méthodes et sources astrophysiques, ont donné des réponses contradictoires.

Les ondes gravitationnelles offrent une méthode supplémentaire pour mesurer la constante de Hubble, car en analysant le signal, il est possible de calculer, de manière relativement simple, la distance parcourue depuis son origine.

« L’enthousiasme autour de la cosmologie des ondes gravitationnelles ne cesse de croître », déclare Ulyana Dupletsa, chercheuse à l’Institut Marietta Blau (Académie autrichienne des sciences). « En plus d’être une approche nouvelle et indépendante, elle est très attrayante car elle évite la calibration complexe requise par les méthodes déjà établies. Même si nous n’avons pas encore assez d’observations pour égaler la précision des mesures traditionnelles, chaque nouvelle détection d’ondes gravitationnelles nous rapproche un peu plus de la détermination de la vitesse à laquelle notre Univers s’étend. »

En analysant toutes les détections d’ondes gravitationnelles du catalogue LVK, les scientifiques ont développé une nouvelle estimation indépendante de la constante de Hubble, qui suggère que l’Univers s’étend à un rythme de 76 kilomètres par seconde par mégaparsec, ce qui signifie qu’une galaxie qui serait située à un mégaparsec de la Terre s’éloignerait de nous à une vitesse de 76 km/s.