Une nouvelle technique permet de rectifier les signaux d’ondes gravitationnelles après coup

Lorsqu’une onde gravitationnelle traverse la Terre, les détecteurs LIGO, Virgo et KAGRA sont prêts à la détecter. Cependant, leur sensibilité dépend de nombreux facteurs, et il est possible qu’un détecteur ne fonctionne pas nominalement au moment du passage de l’onde. Dans de telles situations, il est essentiel de pouvoir traiter les données collectées par ce détecteur pour en améliorer la qualité. Le réseau dispose désormais d’un outil efficace pour y parvenir : la calibration astrophysique.

Les ondes gravitationnelles déforment l’espace-temps, l’étirant et le comprimant lors de leur passage. Cet effet sur les bras des détecteurs est de l’ordre de 10⁻¹⁹ mètre, soit bien plus petit que le diamètre d’un proton ! Pour être sensibles à des variations aussi infimes, les détecteurs sont étalonnés en temps réel à l’aide de circuits de contrôle par rétroaction et d’une procédure précise modélisant leur réponse aux ondes, tout en tenant compte des effets générés par les circuits de contrôle eux-mêmes. Si l’étalonnage n’est pas optimal, la « lecture » du signal – et donc l’interprétation du phénomène cosmique qui l’a généré – est compromise.

Recalibrer rétroactivement les données collectées

Cependant, si le signal gravitationnel détecté est suffisamment intense (c’est-à-dire qu’il se distingue clairement du bruit de fond), il est possible de recalibrer rétroactivement les données collectées par un détecteur mal étalonné en comparant son signal aux prédictions de la relativité générale, ainsi qu’aux signaux observés par les autres détecteurs. Les modèles théoriques jouent ici un rôle similaire à celui des partitions musicales, qui indiquent la forme attendue du signal (les « notes » qu’il doit « jouer »). Associés aux données des détecteurs bien étalonnés, ils permettent de corriger les effets parasites dans les données du détecteur mal calibré. Le processus est comparable à la manière dont des logiciels de production musicale corrigent les fausses notes d’un chanteur pour les aligner sur une mélodie.

« Les ondes gravitationnelles sont des ondulations de l’espace-temps qui étirent et compriment l’espace », explique Christopher Berry, chercheur à l’« Institute for Gravitational Research » de l’Université de Glasgow. « Elles sont extrêmement ténues lorsqu’elles atteignent la Terre, des millions d’années après les événements qui les ont produites. Nous ne pouvons pas les entendre directement, mais nos détecteurs peuvent convertir leurs signaux en ondes sonores, dont nous augmentons la fréquence pour les écouter. Chaque signal produit alors un « gazouillis » caractéristique, riche en informations sur leurs sources : masses, spins, distance et localisation. Dans le cas précis de la fusion de deux trous noirs, la technique d’étalonnage astrophysique fonctionne car le « gazouillis » du signal est décrit avec une précision extrême par la théorie de la relativité générale d’Einstein. »

Test sur deux signaux particulièrement intenses et intéressants

Dans un article à paraître dans Physical Review Letters, des chercheurs de la collaboration LVK démontrent comment cette technique a été appliquée à deux signaux particulièrement intenses et intéressants : GW240925 et GW250207 (les noms des signaux indiquant leur date de détection, respectivement en septembre 2024 et février 2025). Au moment où ces signaux ont été captés, le détecteur LIGO Hanford (État de Washington, États-Unis) n’était pas dans des conditions optimales, rendant l’interprétation de ses données particulièrement difficile.

En comparant les signaux prédits par la théorie aux signaux observés simultanément par les détecteurs LIGO Livingston (en Louisiane) et Virgo (en Italie), les chercheurs ont pu tirer des conclusions précises sur la manière dont le détecteur LIGO Hanford avait déformé les données collectées. Pour GW240925, cette méthode a confirmé les erreurs d’étalonnage déjà mesurées sur place. Pour GW250207, en revanche, il a été indispensable de recourir à l’étalonnage astrophysique, aucune mesure d’étalonnage fiable n’étant disponible sur site.

Grâce à la calibration corrigée du détecteur LIGO Hanford, les chercheurs du LVK ont déterminé que GW240925 avait été généré par la fusion de deux trous noirs de masses respectives 9 et 7 fois celle du Soleil, situés à environ 350 mégaparsecs de la Terre, tandis que GW250207 provenait de deux trous noirs de 35 et 30 masses solaires, à environ 200 mégaparsecs. Sans une prise en compte rigoureuse des incertitudes d’étalonnage, ces estimations auraient pu être biaisées vers des valeurs incorrectes.

Astronomie gravitationnelle de précision

« Ces découvertes montrent qu’après plus d’une décennie de travail depuis la première détection, nous avons développé une compréhension approfondie de l’ensemble de la chaîne d’analyse, des signaux eux-mêmes au comportement des détecteurs. Dans le cas rare où un détecteur dysfonctionne, nous disposons désormais de méthodes robustes pour exploiter les données des autres détecteurs afin d’obtenir les meilleurs résultats possibles. Ces informations sont cruciales pour distinguer de fausses déviations par rapport à la relativité générale, qui pourraient provenir d’un comportement non modélisé du détecteur, » se réjouit Elisa Maggio, chercheuse à l’Institut national de physique nucléaire italien (INFN) et ancienne postdoctorante ainsi que boursière Marie Curie à l’Institut Max-Planck (Institut Albert-Einstein) de Potsdam

 « Il est remarquable que ces événements cosmiques colossaux puissent non seulement être mesurés par nos instruments, mais aussi servir à valider nos mesures. Le fait que nous ayons réussi à utiliser l’étalonnage astrophysique démontre la maturité des capacités des détecteurs d’ondes gravitationnelles. Nous passons de l’ère des premières découvertes à celle de l’astronomie gravitationnelle de précision. Par ailleurs, le catalogue des détections d’ondes gravitationnelles ne cesse de s’enrichir, et dans quelques semaines, nous publierons un nouveau chapitre, avec de nouvelles observations qui approfondiront et élargiront encore notre compréhension de l’Univers et de ses phénomènes les plus violents,» conclue Benoît Revenu, chercheur au laboratoire Subatech (CNRS, IMT Atlantique, Nantes Université) à Nantes et responsable de l’analyse cosmologique pour ces deux événements très particuliers.