Ondes gravitationnelles : 35 nouveaux séismes cosmiques détectés par Virgo et LIGO

Astroparticules et cosmologie Résultats scientifiques

Les détecteurs Virgo et LIGO ont observé 35 nouveaux événements d'ondes gravitationnelles, entre novembre 2019 et mars 2020, période correspondant à la fin du troisième run d'observation de LIGO et Virgo (O3b) dans leur configuration avancée. Le  nombre total de signaux gravitationnels détectés à ce jour par le réseau international des trois détecteurs d’ondes gravitationnelles flirte désormais avec la centaine.  Ce nouveau catalogue de séismes cosmiques a été rendu public le 8 novembre 2021.

La plupart des nouveaux signaux proviennent de la fusion de deux trous noirs. Deux événements, dont l'un déjà publié en juin dernier, ont en revanche été identifiés comme des fusions entre une étoile à neutrons et un trou noir, une source observée pour la première fois dans les données les plus récentes de LIGO et Virgo. Un autre événement, détecté en février 2020, pourrait provenir soit d'un système binaire de trous noirs, soit d'une paire mixte constitutée d'un trou noir et d'une étoile à neutrons, avec la particularité que la masse de l'astre le plus léger se situe dans une fourchette, appelée "mass gap" en anglais, où ni étoiles à neutrons ni trous noirs n'avaient été découverts avant les observations des ondes gravitationnelles.

Ces nouvelles détections ont été rendues publiques le 8 novembre  2021 par les collaborations scientifiques Virgo, LIGO et KAGRA dans le troisième catalogue des sources transitoires d'ondes gravitationnelles (GWTC-3).

Aperçu de toutes les sources d’ondes gravitationnelles détectées entre 2015 et 2021, par ordre chronologique de gauche à droite (la première source à gauche correspond à GW150914, la fusion de deux trous noirs détectée le 14 septembre 2015). L’axe vertical indique les masses des objects en unité de masses solaires. Crédit : LIGO/Virgo/KAGRA/Aaron Geller/Northwestern

«  L'analyse hors ligne des données s'est poursuivie pendant de nombreux mois après la fin de la période d'observation, car elle a nécessité un travail long et complexe d’étalonnage et d'analyse par différentes équipes de recherche, travaillant en parallèle et utilisant différentes techniques, » explique Viola Sordini, chercheuse au CNRS à l'Institut de physique des deux infinis de Lyon. « Une approche consiste à rechercher dans les données  des signaux qui ressemblent le plus possible aux formes d’ondes prédites par les modèles théoriques. Une autre approche consiste à analyser les données sans forme d'onde de référence. Il s'agit d'une activité extrêmement intense et il faut ensuite caractériser les sources observées ».

«  Depuis la première détection en 2015, le nombre de signaux d’ondes gravitationnelles  observés s’est accru de façon spectaculaire, grâce au progrès des instruments et des outils d’analyse, permettant de révéler la remarquable diversité des sources à l’origine de ces signaux, » souligne Dimitri Estevez, chercheur post-doctorant à l’Institut pluridisciplinaire Hubert Curien de Strasbourg.

Le catalogue et les articles qui l’accompagnent offrent en effet un aperçu sans précédent de ces événements cosmiques extrêmes. L’étude statistique des propriétés des objets compacts détectés donne la possibilité de les confronter aux modèles astrophysiques expliquant leur formation et leur évolution, d’effectuer de nouveaux tests de la relativité générale et d’améliorer la mesure de la constante de Hubble à partir de sources d’ondes gravitationnelles.

Ces détections ont été rendues possibles grâce au programme de mises à niveau technologiques continues qui ont transformé les premiers instruments pionniers en détecteurs de plus en plus sensibles. Les observatoires LIGO et Virgo font actuellement l'objet d'une nouvelle mise à niveau et mèneront avec KAGRA de nouvelles campagnes d’observations dans les années qui viennent, avec une sensibilité encore meilleure, correspondant à un volume de l’univers 10 fois plus vaste et donc une probabilité beaucoup plus grande de capter des signaux gravitationnels.

Tableau récapitulatif des détections d'ondes gravitationnelles
Tableau de tous les événements d'ondes gravitationnelles découverts de 2015 jusqu'à la fin de la 3e période d’obervation LIGO/Virgo. Le tableau comprend le nom de l'événement gravitationnel, le type de composant binaire (trou noir, étoile à neutrons ou incertain), les masses du primaire et du secondaire, et la masse de l'objet final fusionné. Crédit : LIGO/Virgo/KAGRA/C. Knox/H. Middleton

Pour en savoir plus

À propos des collaborations Virgo, LIGO et KAGRA

La collaboration Virgo est actuellement composée d'environ 700 scientifiques de 15 pays. L'Observatoire gravitationnel européen (EGO) héberge le détecteur Virgo près de Pise en Italie, et est financé par le Centre national de la recherche scientifique (CNRS) en France, l'Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (INFN) en Italie et Nikhef aux Pays-Bas. Une liste des équipes impliquées dans la collaboration Virgo est disponible sur public.virgo-gw.eu/the-virgo-collaboration.

LIGO est financé par la National Science Foundation (NSF) et géré par Caltech et le MIT, qui ont conçu Ligo et dirigé le projet. Le financement du projet Advanced LIGO est assuré par la NSF, avec des contributions importantes de l'Allemagne (Max Planck Gesellschaft), du Royaume-Uni (Science and Technology Facilities Council) et de l'Australie (Australian Research Council - OzGrav). Environ 1300 scientifiques du monde entier sont regroupés au sein de la collaboration scientifique LIGO, qui comprend la collaboration GEO. Les autres partenaires sont recensés sur my.ligo.org/census.php.

L'interféromètre laser KAGRA est situé à Kamioka, au Japon. L'institut hôte est l'Institut de recherche sur les rayons cosmiques (ICRR) de l'Université de Tokyo, et le projet est co-animé par l'Observatoire astronomique national du Japon (NAOJ) et l'Organisation de recherche sur les accélérateurs de haute énergie (KEK). Sa construction s’est terminée en 2019 et la prise de données a débuté en février 2020 lors du dernier run, "O3b". La collaboration KAGRA comprend plus de 470 membres de 14 pays/régions. La liste est disponible sur gwwiki.icrr.u-tokyo.ac.jp/JGWwiki/KAGRA/KSC/Researchers.

La publication scientifique annonçant cette observation est co-signée par 109 scientifiques de 9 équipes françaises faisant partie de la collaboration Virgo :

  • le laboratoire Astroparticule et cosmologie (CNRS/Université de Paris)
  • le laboratoire Astrophysique relativiste, théories, expériences, métrologie, instrumentation, signaux (CNRS/Observatoire de la Côte d’Azur/Université Côte d’Azur)
  • l’équipe g-MAG, qui regroupe des scientifiques de l’Institut lumière matière (CNRS/Université Claude Bernard Lyon 1), de l’Institut des nanotechnologies de Lyon (CNRS/Ecole Centrale de Lyon/INSA Lyon/Université Claude Bernard Lyon 1/CPE Lyon), de l’Institut des nanosciences de Paris (CNRS/Sorbonne Université) et du laboratoire Navier (CNRS/École des Ponts ParisTech/Université Gustave Eiffel)
  • l’Institut de physique des 2 infinis de Lyon (CNRS/Université Claude Bernard Lyon 1)
  • l’Institut pluridisciplinaire Hubert Curien (CNRS/Université de Strasbourg)
  • le Laboratoire d'Annecy de physique des particules (CNRS/Université Savoie Mont Blanc)
  • le Laboratoire Kastler Brossel (CNRS/Sorbonne Université/ENS-PSL/Collège de France)
  • le Laboratoire de physique des 2 infinis - Irène Joliot-Curie (CNRS/Université Paris-Saclay)
  • le Laboratoire des 2 Infinis - Toulouse (CNRS/ Université Toulouse III Paul Sabatier). 

Des scientifiques co-signataires sont associés aux équipes ci-dessus et font partie des laboratoires suivants : l’Institut Foton (CNRS/Insa Rennes/Université de Rennes 1), le laboratoire Lagrange (CNRS/Observatoire de la Côte d’Azur/Université Côte d’Azur), le Laboratoire de physique et d'étude des matériaux (CNRS/Sorbonne Université/ESPCI Paris).

Contact

Frédérique Marion
Chercheuse CNRS au LAPP (Annecy), Membre du comité éditorial du catalogue Virgo-Ligo
Matteo Barsuglia
Responsable pour la France de la collaboration Virgo
Vincent Poireau
DAS Astroparticules et cosmologie
Emmanuel Jullien
Responsable de la cellule communication de l'IN2P3