Des astronomes ont détecté la plus puissante collision de trous noirs à ce jour

Quatre nouvelles détections d’ondes gravitationnelles ont été annoncées lors du Gravitational Waves Physics and Astronomy Workshop, à l’Université du Maryland aux États-Unis.

Cela porte le nombre total de détections à 11, depuis la première en 2015.

Dix proviennent de fusions de trous noirs binaires et une de la fusion de deux étoiles à neutrons, qui sont les restes denses d’explosions stellaires. L’une des fusions de trous noirs était extraordinairement lointaine et constituait l’explosion la plus puissante jamais observée en astronomie.

Les dernières nouvelles arrivent juste un mois après que des doutes aient été émis sur la détection initiale.

Fin octobre, un article du New Scientist, intitulé Exclusive : Grave doubts over LIGO’s discovery of gravitational waves “, évoquait l’idée qu’il “pourrait s’agir d’une illusion”.

Alors, dans quelle mesure sommes-nous sûrs de détecter des ondes gravitationnelles et de ne pas voir une illusion ?

Ouvert à l’examen

Tous les bons scientifiques savent que l’examen minutieux et le scepticisme sont le pouvoir de la science.

Toutes les théories et toutes les connaissances sont provisoires, car la science se rapproche lentement de notre meilleure compréhension de la vérité. Il n’y a pas de certitude, seulement une probabilité et une signification statistique.

Il y a plusieurs années, l’équipe chargée de la recherche d’ondes gravitationnelles à l’aide de l’observatoire LIGO (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory) a déterminé les niveaux de signification statistique nécessaires pour prétendre à une détection.

Pour chaque signal, on détermine le taux de fausses alarmes. Cela vous indique combien d’années il faudrait attendre avant d’avoir une chance égale qu’un signal aléatoire imite le signal réel.

Le signal le plus faible détecté jusqu’à présent a un taux de fausses alarmes de un tous les cinq ans, ce qui signifie qu’il y a toujours une chance que ce soit accidentel.

D’autres signaux sont beaucoup plus forts. Pour les trois signaux les plus forts détectés jusqu’à présent, il faudrait attendre de 1 000 fois à 10 milliards de fois l’âge de l’univers pour que les signaux se produisent par hasard.

Savoir ce qu’il faut écouter

La détection des ondes gravitationnelles est un peu comme l’ornithologie acoustique.

Imaginez que vous étudiez les oiseaux et que vous vouliez déterminer la population d’oiseaux dans une forêt. Vous connaissez les cris des différentes espèces d’oiseaux.

Lorsqu’un cri d’oiseau correspond à votre cri prédéterminé, vous sautez de joie. Son intensité sonore vous indique à quelle distance il se trouve. S’il était très faible par rapport au bruit de fond, vous pourriez avoir des doutes.

Mais vous devez tenir compte des oiseaux lyres qui imitent d’autres espèces. Comment savez-vous que le son d’un kookaburra n’est pas en fait produit par un oiseau lyre ?

Vous devez être très rigoureux avant de pouvoir affirmer qu’il y a un kookaburra dans la forêt. Et même dans ce cas, vous ne pourrez être sûr de vous que si vous faites d’autres détections.

Dans les ondes gravitationnelles, nous utilisons des sons mémorisés appelés modèles. Il existe un son unique pour la fusion de chaque combinaison possible de masses et de rotations de trous noirs. Chaque modèle est calculé à l’aide de la théorie d’Einstein sur l’émission des ondes gravitationnelles.

Dans la chasse aux ondes gravitationnelles, nous recherchons ces sons rares à l’aide de deux détecteurs LIGO aux États-Unis et d’un troisième détecteur, Virgo, en Italie.

Pour éviter de manquer des signaux ou d’annoncer des faux positifs, il faut faire preuve de la plus grande rigueur dans l’analyse des données. D’énormes équipes examinent les données, recherchent les failles, se critiquent mutuellement, passent en revue les codes informatiques et, enfin, vérifient l’exactitude des publications proposées.

Des équipes distinctes utilisent des méthodes d’analyse différentes, pour finalement comparer les résultats.

Vient ensuite la reproductibilité – le même résultat enregistré encore et encore. La reproductibilité est une composante essentielle de la science.

Les signaux détectés

Avant que LIGO ne fasse sa première annonce publique d’ondes gravitationnelles, deux autres signaux avaient été détectés, chacun d’eux étant capté par deux détecteurs.

Cela a renforcé notre confiance et nous a indiqué qu’il existait une population de trous noirs entrant en collision, et pas seulement un événement unique qui pourrait être une fausse piste.

La première onde gravitationnelle détectée était étonnamment forte et correspondait à un modèle prédéterminé. Elle était si bonne que LIGO a passé de nombreuses semaines à essayer de déterminer s’il était possible qu’il s’agisse d’une farce, délibérément injectée par un pirate informatique.

Si les scientifiques de LIGO ont fini par se convaincre que l’événement était réel, d’autres découvertes ont considérablement renforcé notre confiance.

En août 2017, un signal a été détecté par les deux détecteurs LIGO et le détecteur Virgo en Italie.

Le 17 août de l’année dernière, un type de signal complètement différent, mais prévu de longue date, a été observé à partir d’une paire d’étoiles à neutrons en cours de coalescence, accompagné de la rafale de rayons gamma et de lumière prévue.

Les fusions de trous noirs

La collaboration LIGO-Virgo a maintenant terminé l’analyse de toutes les données recueillies depuis septembre 2015.

Pour chaque signal, nous déterminons la masse des deux trous noirs en collision, la masse du nouveau trou noir qu’ils créent et, assez grossièrement, la distance et la direction.

Chaque signal a été vu dans deux ou trois détecteurs presque simultanément (ils étaient séparés de quelques millisecondes).

Huit des 20 trous noirs initiaux ont des masses comprises entre 30 et 40 soleils, six sont dans les 20, trois sont dans les 10 et seulement deux sont aussi bas que 7 à 8 soleils.

Un seul est proche de 50, le plus grand trou noir pré-collision jamais observé.

Ce sont ces chiffres qui nous aideront à déterminer où tous ces trous noirs ont été créés, comment ils ont été créés et combien il en existe. Pour répondre à ces grandes questions, nous avons besoin de beaucoup plus de signaux.

(LIGO-Virgo / Frank Elavsky / Northwestern)

Le plus faible des nouveaux signaux, GW170729, a été détecté le 29 juillet 2017. Il s’agissait de la collision d’un trou noir de 50 fois la masse du Soleil, avec un autre de 34 fois la masse du Soleil.

C’était de loin l’événement le plus lointain, ayant eu lieu, très probablement, il y a 5 milliards d’années – avant la naissance de la Terre et du système solaire, il y a 4,6 milliards d’années. Malgré la faiblesse du signal, il s’agit de la plus puissante explosion gravitationnelle découverte à ce jour.

Mais comme le signal était faible, il s’agit de la détection dont le taux de fausse alarme est d’une tous les cinq ans.

LIGO et Virgo améliorent leur sensibilité d’année en année et découvriront beaucoup plus d’événements.

Avec les nouveaux détecteurs prévus, nous prévoyons une sensibilité dix fois supérieure. Nous prévoyons donc de détecter de nouveaux signaux toutes les cinq minutes environ