Les ondes gravitationnelles prises en flagrant délit 
L’observation LIGO de la fusion des trous noirs annonce une nouvelle ère en astronomie
Pour la première fois, on observe des ondes gravitationnelles, près de 100 ans après la prédiction proposée par Albert Einstein dans sa théorie de la relativité générale. Le signal qui en est à l’origine porte le nom de GW150914, et a été observé simultanément dans deux centres LIGO espacés d’environ 3000 kilomètres.
Des ondes gravitationnelles détectées 100 ans après la prédiction d’Einstein
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Pour la première fois, les scientifiques ont observé des ondulations dans le tissu de l’espace-temps appelées ondes gravitationnelles, arrivant sur la terre à partir d’un événement cataclysmique dans l’univers lointain. Cela confirme une prédiction majeure de la théorie de la relativité générale d’Albert Einstein de 1915 et ouvre une nouvelle fenêtre sans précédent sur le cosmos. Les ondes gravitationnelles transportent des informations sur leurs origines dramatiques et sur la nature de la gravité qui ne peuvent pas être obtenues autrement. 
Les physiciens ont conclu que les ondes gravitationnelles détectées ont été produites pendant la dernière fraction de seconde de la fusion de deux trous noirs pour produire un seul trou noir en rotation plus massif. Cette collision de deux trous noirs avait été prédite mais jamais observée. Les ondes gravitationnelles ont été détectées le 14 septembre 2015 à 5 h 51, heure avancée de l’Est (09 h 51 UTC) par les deux détecteurs jumeaux de l’observatoire à ondes gravitationnelles de l’interféromètre laser (LIGO), situés à Livingston, en Louisiane, et à Hanford, dans l’État de Washington. , ETATS-UNIS. Les observatoires LIGO sont financés par la National Science Foundation (NSF) et ont été conçus, construits et exploités par Caltech et le MIT. La découverte, acceptée pour publication dans la revue Physical Review Letters, a été faite par la collaboration scientifique LIGO (qui comprend la collaboration GEO et le consortium australien pour l’astronomie gravitationnelle interférométrique) et la collaboration Virgo en utilisant les données des deux détecteurs LIGO.
Sur la base des signaux observés, les scientifiques de LIGO estiment que les trous noirs pour cet événement étaient d’environ 29 et 36 fois la masse du soleil, et l’événement a eu lieu il y a 1,3 milliard d’années. Environ 3 fois la masse du soleil a été convertie en ondes gravitationnelles en une fraction de seconde, avec une puissance de sortie de crête d’environ 50 fois celle de l’ensemble de l’univers visible. En regardant l’heure d’arrivée des signaux – le détecteur de Livingston a enregistré l’événement 7 millisecondes avant le détecteur de Hanford – les scientifiques peuvent dire que la source était située dans l’hémisphère sud.
Selon la relativité générale, une paire de trous noirs en orbite l’un autour de l’autre perd de l’énergie par l’émission d’ondes gravitationnelles, les faisant se rapprocher progressivement sur des milliards d’années, puis beaucoup plus rapidement dans les dernières minutes. Au cours de la dernière fraction de seconde, les deux trous noirs entrent en collision à près de la moitié de la vitesse de la lumière et forment un seul trou noir plus massif, convertissant une partie de la masse des trous noirs combinés en énergie, selon Einstein. Formule E=mc². Cette énergie est émise sous la forme d’une forte salve finale d’ondes gravitationnelles. Ce sont ces ondes gravitationnelles que LIGO a observées.L’existence des ondes gravitationnelles a été démontrée pour la première fois dans les années 1970 et 1980 par Joseph Taylor, Jr., et ses collègues. Taylor et Russell Hulse ont découvert en 1974 un système binaire composé d’un pulsar en orbite autour d’une étoile à neutrons. Taylor et Joel M. Weisberg en 1982 ont découvert que l’orbite du pulsar rétrécissait lentement au fil du temps en raison de la libération d’énergie sous forme d’ondes gravitationnelles. Pour avoir découvert le pulsar et montré qu’il rendrait possible cette mesure particulière des ondes gravitationnelles, Hulse et Taylor ont reçu le prix Nobel de physique en 1993.
La nouvelle découverte de LIGO est la première observation des ondes gravitationnelles elles-mêmes, réalisée en mesurant les minuscules perturbations que les ondes apportent à l’espace et au temps lorsqu’elles traversent la terre. « Notre observation des ondes gravitationnelles atteint un objectif ambitieux défini il y a plus de 5 décennies pour détecter directement ce phénomène insaisissable et mieux comprendre l’univers, et, à juste titre, remplit l’héritage d’Einstein à l’occasion du 100e anniversaire de sa théorie générale de la relativité », déclare David de Caltech. H. Reitze, directeur exécutif du Laboratoire LIGO.
La découverte a été rendue possible grâce aux capacités améliorées d’Advanced LIGO, une mise à niveau majeure qui augmente la sensibilité des instruments par rapport aux détecteurs LIGO de première génération, permettant une forte augmentation du volume de l’univers sondé – et la découverte d’ondes gravitationnelles pendant sa première campagne d’observation. La National Science Foundation des États-Unis est à la tête du soutien financier pour Advanced LIGO. Des organismes de financement en Allemagne (Max Planck Society), au Royaume-Uni (Science and Technology Facilities Council, STFC) et en Australie (Australian Research Council) ont également pris des engagements importants envers le projet. Plusieurs des technologies clés qui ont rendu Advanced LIGO tellement plus sensible ont été développées et testées par la collaboration germano-britannique GEO. D’importantes ressources informatiques ont été fournies par l’AEI Hannover Atlas Cluster, le laboratoire LIGO, l’Université de Syracuse et l’Université du Wisconsin-Milwaukee. Plusieurs universités ont conçu, construit et testé des composants clés pour Advanced LIGO : l’université nationale australienne, l’université d’Adélaïde, l’université de Floride, l’université de Stanford, l’université de Columbia de la ville de New York et l’université d’État de Louisiane.
« En 1992, lorsque le financement initial de LIGO a été approuvé, il représentait le plus gros investissement que la NSF ait jamais fait », explique France Córdova, directrice de la NSF. « C’était un gros risque. Mais la National Science Foundation est l’agence qui prend ce genre de risques. Nous soutenons la science et l’ingénierie fondamentales à un point sur la route de la découverte où ce chemin est tout sauf clair. Nous finançons des pionniers. C’est pourquoi les États-Unis continuent d’être un leader mondial dans l’avancement des connaissances.
La recherche LIGO est menée par la LIGO Scientific Collaboration (LSC), un groupe de plus de 1000 scientifiques d’universités des États-Unis et de 14 autres pays. Plus de 90 universités et instituts de recherche du LSC développent la technologie des détecteurs et analysent les données ; environ 250 étudiants sont de solides membres contributeurs de la collaboration. Le réseau de détecteurs LSC comprend les interféromètres LIGO et le détecteur GEO600. L’équipe GEO comprend des scientifiques de l’Institut Max Planck de physique gravitationnelle (Institut Albert Einstein, AEI), de la Leibniz Universität Hannover, ainsi que des partenaires de l’Université de Glasgow, de l’Université de Cardiff, de l’Université de Birmingham, d’autres universités du Royaume-Uni et l’Université des îles Baléares en Espagne. « Cette détection est le début d’une nouvelle ère : le domaine de l’astronomie des ondes gravitationnelles est désormais une réalité », déclare Gabriela González, porte-parole du LSC et professeur de physique et d’astronomie à la Louisiana State University.
LIGO a été initialement proposé comme moyen de détecter ces ondes gravitationnelles dans les années 1980 par Rainer Weiss, professeur de physique, émérite, du MIT ; Kip Thorne, professeur de physique théorique Richard P. Feynman de Caltech, émérite ; et Ronald Drever, professeur de physique, émérite, également de Caltech. « La description de cette observation est magnifiquement décrite dans la théorie d’Einstein de la relativité générale formulée il y a 100 ans et comprend le premier test de la théorie en gravitation forte. Cela aurait été merveilleux de voir le visage d’Einstein si nous avions pu le lui dire », déclare Weiss. «Avec cette découverte, nous, les humains, nous lançons dans une nouvelle quête merveilleuse : la quête pour explorer le côté déformé de l’univers – des objets et des phénomènes fabriqués à partir d’un espace-temps déformé. Les trous noirs en collision et les ondes gravitationnelles sont nos premiers beaux exemples », déclare Thorne.
La recherche Virgo est menée par la Collaboration Virgo, composée de plus de 250 physiciens et ingénieurs appartenant à 19 groupes de recherche européens différents : 6 du Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS) en France ; 8 de l’Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (INFN) en Italie ; 2 aux Pays-Bas avec Nikhef ; le Wigner RCP en Hongrie ; le groupe POLGRAW en Pologne ; et l’Observatoire gravitationnel européen (EGO), le laboratoire hébergeant le détecteur Virgo près de Pise en Italie. Fulvio Ricci, porte-parole de Virgo, note que « C’est une étape importante pour la physique, mais plus important encore, c’est simplement le début de nombreuses découvertes astrophysiques nouvelles et passionnantes à venir avec LIGO et Virgo. » Bruce Allen, directeur général du Max Planck Institute for Gravitational Physics (Albert Einstein Institute), ajoute : « Einstein pensait que les ondes gravitationnelles étaient trop faibles pour être détectées et ne croyait pas aux trous noirs. Mais je ne pense pas qu’il aurait été gêné de se tromper ! »
Les détecteurs Advanced LIGO sont un tour de force de la science et de la technologie, rendu possible par une équipe internationale vraiment exceptionnelle de techniciens, d’ingénieurs et de scientifiques », déclare David Shoemaker du MIT, le chef de projet pour Advanced LIGO. « Nous sommes très fiers d’avoir terminé ce projet financé par la NSF dans les délais et dans les limites du budget. » À chaque observatoire, l’interféromètre LIGO en forme de L de deux milles et demi (4 km) de long utilise une lumière laser divisée en deux faisceaux qui vont et viennent le long des bras (tubes de quatre pieds de diamètre maintenus sous un -vide parfait). Les faisceaux sont utilisés pour surveiller la distance entre les miroirs positionnés avec précision aux extrémités des bras. Selon la théorie d’Einstein, la distance entre les miroirs changera d’une quantité infinitésimale lorsqu’une onde gravitationnelle passe devant le détecteur. Une modification de la longueur des bras inférieure à un dix-millième du diamètre d’un proton (10-19 mètres) peut être détectée.
« Pour rendre cette étape fantastique possible, il a fallu une collaboration mondiale de scientifiques – la technologie laser et de suspension développée pour notre détecteur GEO600 a été utilisée pour aider à faire d’Advanced LIGO le détecteur d’ondes gravitationnelles le plus sophistiqué jamais créé », déclare Sheila Rowan, professeur de physique et d’astronomie à l’Université de Glasgow. Des observatoires indépendants et largement séparés sont nécessaires pour déterminer la direction de l’événement à l’origine des ondes gravitationnelles, et aussi pour vérifier que les signaux proviennent de l’espace et non d’un autre phénomène local. À cette fin, le laboratoire LIGO travaille en étroite collaboration avec des scientifiques indiens du Centre interuniversitaire d’astronomie et d’astrophysique, du Raja Ramanna Center for Advanced Technology et de l’Institute for Plasma pour établir un troisième détecteur LIGO avancé sur le sous-continent indien. En attente d’approbation par le gouvernement indien, il pourrait être opérationnel au début de la prochaine décennie. Le détecteur supplémentaire améliorera considérablement la capacité du réseau mondial de détecteurs à localiser les sources d’ondes gravitationnelles.
« Espérons que cette première observation accélérera la construction d’un réseau mondial de détecteurs pour permettre une localisation précise des sources à l’ère de l’astronomie multi-messagers », déclare David Maclellan, professeur de physique et directeur du Center for Gravitational Physics de l’Australian National University. .
GW150914 – La première détection directe des ondes gravitationnelles 
Le 11 février 2016, la collaboration scientifique LIGO et la collaboration Virgo ont annoncé la première observation confirmée d’ondes gravitationnelles provenant de trous noirs en collision. Les signaux d’ondes gravitationnelles ont été observés par les observatoires jumeaux du LIGO le 14 septembre 2015. Cela confirme une prédiction clé de la théorie de la relativité générale d’Einstein et fournit la première preuve directe que les trous noirs fusionnent.
L’observation LIGO de la fusion des trous noirs annonce une nouvelle ère en astronomie
Au point culminant d’une quête de plusieurs décennies, les physiciens ont directement détecté les minuscules ondulations dans l’espace-temps connues sous le nom d’ondes gravitationnelles. Prédites il y a cent ans dans le cadre de la théorie générale de la relativité d’Einstein, les ondes gravitationnelles étirent et compriment l’espace lui-même. Ces ondes sont générées par certains des cataclysmes les plus violents de l’univers, comme les étoiles explosives appelées supernovae, ou des paires d’étoiles à neutrons ou de trous noirs fusionnés en un seul. Maintenant, dans un article publié dans Physical Review Letters le 11 février, les collaborations LIGO (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory) et Virgo annoncent la détection d’une telle fusion de trous noirs – éliminant deux premières scientifiques à la fois : la première détection directe des ondes gravitationnelles et la première observation de la fusion de trous noirs dits binaires. La détection annonce une nouvelle ère de l’astronomie – utilisant des ondes gravitationnelles pour « écouter » l’univers. Aux petites heures du matin du 14 septembre 2015 – lors d’une course d’ingénierie quelques jours avant le début officiel de la prise de données – un signal fort, cohérent avec la fusion de trous noirs, est apparu simultanément dans les deux observatoires de LIGO, situés à Hanford, Washington et Livingston, Louisiane.
Cette observation a laissé les scientifiques stupéfaits. « Ma mâchoire est tombée », déclare Emanuele Berti de l’Université du Mississippi, qui n’a pas participé à l’expérience. « L’importance de la détection est si élevée qu’il est extrêmement improbable qu’il ne s’agisse pas d’un signal de trou noir binaire. Jamais je n’aurais pensé de ma vie que je verrais un signal aussi clair si tôt. » « Je suis totalement hors de moi », déclare Clifford Will de l’Université de Floride à Gainesville, qui n’a pas participé à l’expérience. « C’est extrêmement excitant. En fait, on m’a montré le journal il y a quelques semaines, et je suis toujours excité deux semaines plus tard. » Chaque observatoire LIGO possède deux bras de 4 kilomètres de long disposés en L. Les deux bras sont équipés de cavités optiques dans lesquelles la lumière laser rebondit d’avant en arrière. En l’absence d’ondes gravitationnelles, la lumière parcourt la même distance le long de chaque bras et les faisceaux des deux bras interfèrent lorsqu’ils se rencontrent à l’intersection des bras, de sorte qu’aucune lumière n’atteint un détecteur qui surveille le faisceau.
Mais lorsqu’une onde gravitationnelle traverse l’observatoire, elle allongera très légèrement un bras et raccourcira l’autre, empêchant l’annulation complète des deux faisceaux, laissant passer la lumière jusqu’au détecteur et produisant un signal. LIGO est conçu pour capturer des différences de longueur d’un milliardième de la taille d’un atome. Les deux observatoires distincts de LIGO aident à éliminer les signaux parasites de l’environnement local, qui peuvent être causés par des événements aussi inoffensifs qu’un camion qui gronde ou des vagues océaniques qui se brisent sur le rivage. Les signaux d’ondes gravitationnelles doivent apparaître dans les deux détecteurs, presque simultanément. Et c’est exactement ce qui s’est passé. Les deux observatoires ont enregistré un signal cohérent avec les prédictions d’une fusion de trous noirs. Dans un tel événement, deux trous noirs se rapprochent rapidement de plus en plus, jusqu’à ce qu’ils se rencontrent pour former un seul trou noir, qui subit alors un « ringdown » – par analogie avec une cloche qui sonne après avoir été frappée avec un marteau – jusqu’à ce que le trou noir déformé revient à un état normal. Le processus produit un signal « chirp » révélateur de fréquence croissante. C’est exactement ce que LIGO a vu, et les scientifiques sont extrêmement convaincus que c’est la vraie affaire : ils s’attendent à ce qu’un événement comme celui-ci n’apparaisse comme une fausse alerte qu’une fois tous les 203 000 ans.
« C’était incroyable, c’était un cadeau de la nature. Ce n’était pas seulement des trous noirs, mais c’était un signal que nous pouvions voir à l’œil nu », a déclaré la porte-parole de LIGO, Gabriela González, de la Louisiana State University, lors d’une conférence de presse à Washington DC le 11 février notant que le signal était suffisamment fort pour dépasser évidemment le bruit. Certains collaborateurs de LIGO disent que le signal leur a d’abord semblé trop beau pour être vrai. Et puisque le processus de LIGO comprend des « injections aveugles » – des signaux de test plantés dans les données que seuls quelques membres de la collaboration connaissent – cela aurait bien pu l’être. « Je pensais que ça devait être une injection, c’était tellement beau », dit John Veitch de l’Université de Birmingham. Mais les responsables de la collaboration ont rapidement confirmé qu’il ne s’agissait pas d’un exercice. Les chercheurs estiment que les masses des trous noirs étaient de 36 et 29 fois la masse du Soleil et les situent à une distance de 1,3 milliard d’années-lumière de la Terre. Lorsque ces deux mastodontes se sont combinés, leur coalescence était si intense qu’elle a émis 3 masses solaires d’énergie en ondes gravitationnelles, laissant derrière elle un trou noir de 62 fois la masse du Soleil.
« Il ne fait vraiment aucun doute qu’il s’agit d’une véritable détection, d’un véritable signal », déclare Will. « Ils font un travail très minutieux en s’inquiétant de tout type de problème qui aurait pu les tromper. » La découverte du système et la fusion sont significatives en soi, affirmant le pouvoir des ondes gravitationnelles pour percer de nouveaux secrets du cosmos. Le résultat montre que des trous noirs binaires peuvent se former et fusionner – quelque chose de prédit mais jamais vu auparavant. De plus, les trous noirs sont plus massifs que la plupart des trous noirs de « masse stellaire » – à la différence des trous noirs supermassifs trouvés au centre des galaxies, qui peuvent avoir des masses des milliards de fois supérieures à celles du Soleil. Mais il y a un no man’s land entre les deux groupes, dépassant environ 15 ou 20 fois la masse du Soleil, dit Berti. Le résultat montre qu’il existe bien des trous noirs plus massifs de ce type. « La motivation n’était pas seulement de détecter les ondes gravitationnelles et de rentrer chez soi, mais le potentiel de créer une science complètement nouvelle », explique Barry Barish de Caltech, membre de la collaboration LIGO et président de l’APS en 2011. « C’est une façon complètement différente de regarder le ciel. » Les chercheurs ont également fixé une limite à la masse du graviton – la particule hypothétique qui transmet l’interaction gravitationnelle – et ont mis la relativité générale à l’épreuve en effectuant des tests de cohérence, qu’elle a réussis facilement.
LIGO a détecté un deuxième événement, moins significatif, qui était également compatible avec une fusion de trous noirs binaires. Mais « mon sentiment est que cela ne fait pas partie de l’histoire », déclare Barish. « Cela ne mesure pas qu’il soit statistiquement suffisamment probable pour que nous en parlions. » Le taux de fausses alarmes pour un événement comme celui-ci est d’une fois tous les 2,3 ans. La découverte fait suite à une mise à niveau de 200 millions de dollars de l’expérience, appelée Advanced LIGO, destinée à augmenter ses chances de trouver les signaux insaisissables. Lors de la précédente campagne de LIGO, de 2002 à 2010, la collaboration s’est déroulé les mains vides. Actuellement, la sensibilité du détecteur aux fusions d’étoiles à neutrons binaires est améliorée par rapport à son incarnation précédente d’un facteur de trois à cinq, explique Barish. Finalement, la sensibilité atteindra un facteur dix d’amélioration – augmentant le taux de fusions binaires d’étoiles à neutrons que LIGO peut détecter d’un facteur de 1000, en permettant effectivement à LIGO de scruter plus loin dans l’espace. Plusieurs observatoires d’ondes gravitationnelles prévus, dont Advanced Virgo en Italie, formeront bientôt un réseau de détecteurs avec LIGO, permettant aux physiciens de localiser plus précisément les sources dans le ciel et de pointer les télescopes dans la direction des candidats pour rechercher les signaux électromagnétiques correspondants. « Nous pouvons commencer à voir l’univers et à l’écouter en même temps », déclare Chiara Mingarelli de Caltech.
Bien que le résultat soit la première détection directe d’ondes gravitationnelles, les physiciens sont depuis longtemps convaincus de leur existence, convaincus par des preuves indirectes glanées à partir de pulsars ou d’étoiles à neutrons en rotation rapide qui semblent pulser régulièrement. En examinant les variations de la synchronisation des signaux provenant d’un pulsar verrouillé sur une orbite avec une autre étoile, les scientifiques ont montré que le système perdait de l’énergie sous forme d’ondes gravitationnelles. La découverte en 1974 de ce pulsar binaire a valu à ses découvreurs, Russell Hulse et Joseph Taylor, le prix Nobel de physique en 1993. Pendant des années, les physiciens ont émis l’hypothèse que la première détection directe d’ondes gravitationnelles serait également digne d’un prix Nobel. Le document ne couvrant que quelques semaines de fonctionnement et des mois de données supplémentaires déjà dans la boîte, il ne faudra peut-être pas longtemps pour que de nouveaux signaux apparaissent. « Ils trouveront plus de choses », déclare Virginia Trimble de l’Université de Californie à Irvine. « C’est la prochaine rumeur, bien sûr, ce sont les événements deux et trois. » Il y a beaucoup à venir de LIGO, a déclaré Kip Thorne de Caltech lors de la conférence de presse. « C’est vraiment fantastique ; nous allons avoir une énorme richesse de signaux d’ondes gravitationnelles. » Quant à ce que les nouvelles données apporteront, « je pense que nous pouvons être assez sûrs que nous verrons de grandes surprises », a-t-il déclaré.
Détection des ondes gravitationnelles
Le 14 septembre 2015, LIGO a effectué la première détection d’ondes gravitationnelles, un siècle après leur prédiction. L’observatoire des ondes gravitationnelles à interféromètre laser (LIGO) a confirmé la conjecture d’Albert Einstein dans sa théorie générale de la relativité (1915) à l’occasion de son 100e anniversaire. On pense que ces ondes de gravité – des ondulations dans le tissu de l’espace-temps – résultent d’un événement cataclysmique calculé à 1,3 milliard d’années-lumière. Les physiciens décrivent ces ondes comme étant produites dans la dernière fraction de seconde d’une collision de deux trous noirs fusionnant en un seul trou noir en rotation plus massif. Une partie de leur masse est convertie en énergie transportée par une forte rafale d’ondes gravitationnelles, comme indiqué par E = mc².
https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.116.061102
https://www.ligo.caltech.edu/news/ligo20160211