Dans Février 2016des scientifiques du Interféromètre laser Observatoire des ondes gravitationnelles (LIGO) a annoncé la toute première détection de ondes gravitationnelles (GW). Prédit à l’origine par Théorie de la relativité générale d’Einstein, ces ondes sont des ondulations dans l’espace-temps qui se produisent chaque fois que des objets massifs (comme des trous noirs et des étoiles à neutrons) fusionnent. Depuis lors, d’innombrables événements GW ont été détectés par des observatoires à travers le monde – au point où ils sont devenus un événement presque quotidien. Cela a permis aux astronomes de mieux comprendre certains des objets les plus extrêmes de l’Univers.
Dans un étude récenteune équipe internationale de chercheurs dirigée par l’Université de Cardiff a observé un système binaire de trous noirs initialement détecté en 2020 par le LIGO avancé, Viergeet Observatoire des ondes gravitationnelles de Kamioki (KAGRA). Au cours du processus, l’équipe a remarqué un mouvement de torsion particulier (alias une précession) dans les orbites des deux trous noirs en collision qui était 10 milliards de fois plus rapide que ce qui a été noté avec d’autres objets en précession. C’est la première fois qu’une précession est observée avec des trous noirs binaires, ce qui confirme encore un autre phénomène prédit par la Relativité Générale (RG).
L’équipe était dirigée par le professeur Mark Hannam, le Dr Charlie Hoy et le Dr Jonathan Thompson du Institut d’exploration de la gravité à l’Université de Cardiff. Ils ont été rejoints par des chercheurs du Laboratoire LIGOla Institut des sciences et technologies de Barcelonela Institut Max Planck de physique gravitationnellela Institut d’astronomie des ondes gravitationnellesla Centre d’excellence ARC pour la découverte des ondes gravitationnellesla Alliance de physique des universités écossaises (SUPA) et d’autres instituts de recherche GW.
Les trous noirs binaires (BBH) sont considérés comme un candidat de choix pour la recherche sur les GW puisque les astronomes s’attendent à ce que certains soient constitués de binaires en précession. Dans ce scénario, les trous noirs s’entoureront sur des orbites de plus en plus serrées, générant un signal GW de plus en plus fort jusqu’à ce qu’ils fusionnent. Cependant, aucune preuve définitive de précession orbitale n’a été observée à partir des 84 systèmes BBH détectés par Advanced LIGO et Virgo jusqu’à présent. Cependant, l’équipe a remarqué quelque chose de différent lors de l’examen de l’événement GW200129 détecté par Collaboration LIGO–Virgo–KAGRA lors de son troisième passage opérationnel (O3).
L’un des trous noirs de ce système (~ 40 masses solaires) est considéré comme le trou noir à rotation la plus rapide jamais détecté par les ondes gravitationnelles. Contrairement à toutes les observations précédentes de BBH, la rotation rapide du système a un effet si profond sur l’espace-temps que l’ensemble du système oscille d’avant en arrière. Cette forme de précession est connue sous le nom de Glissement de cadre (alias l’effet Lense-Thirring), une interprétation de GR où les forces gravitationnelles sont si fortes qu’elles “entraînent” avec elles le tissu même de l’espace-temps.
Ce même phénomène est observé lors de l’observation de l’orbite de Mercure, qui précède périodiquement en orbite autour du Soleil. En bref, la trajectoire de Mercure autour du Soleil est très excentrique, et le point le plus éloigné de son orbite (périhélie) se déplace également dans le temps, tournant autour du Soleil comme une toupie. Ces observations sont l’une des façons dont la RG a été testée (et confirmée) après qu’Einstein l’ait officialisée en 1916. En général, la précession en relativité générale est généralement un effet si faible qu’elle est presque imperceptible. Comme l’a expliqué le Dr Thompson dans une récente étude de l’Université de Cardiff communiqué de presse:
« C’est un effet très difficile à identifier. Les ondes gravitationnelles sont extrêmement faibles et leur détection nécessite l’appareil de mesure le plus sensible de l’histoire. La précession est un effet encore plus faible enfoui dans le signal déjà faible, nous avons donc dû faire une analyse minutieuse pour le découvrir.
Auparavant, l’exemple connu le plus rapide était un pulsar binaire qui prenait plus de 75 ans pour que l’orbite soit traitée. Dans ce cas, le BBH connu sous le nom de GW200129 (observé le 29 janvier 2020) traite plusieurs fois par seconde, un effet 10 milliards de fois plus fort que le pulsar binaire. Même ainsi, confirmer que les trous noirs de ce système précédaient était un défi de taille. Dit le Dr Hoy, qui est maintenant chercheur à l’Université de Portsmouth :
« Jusqu’à présent, la plupart des trous noirs que nous avons trouvés avec des ondes gravitationnelles tournaient assez lentement. Le plus grand trou noir de ce binaire, qui était environ 40 fois plus massif que le Soleil, tournait presque aussi vite que physiquement possible. Nos modèles actuels de formation des binaires suggèrent que celui-ci était extrêmement rare, peut-être un événement sur mille. Ou cela pourrait être un signe que nos modèles doivent changer.
Ces résultats confirment qu’avant la fusion des trous noirs – l’événement gravitationnel le plus extrême jamais observé par les astronomes – les BBH peuvent subir une précession orbitale. C’est également le dernier d’une longue série d’exemples qui démontrent comment l’astronomie GW permet aux astronomes de sonder les lois de la physique dans les conditions les plus extrêmes imaginables. Avec un réseau composé de détecteurs avancés LIGO, Virgo et KAGRA aux États-Unis, en Europe et au Japon, c’est également l’un des domaines les plus dynamiques de la recherche astronomique.
Ce réseau est actuellement en cours de mise à niveau pour améliorer sa sensibilité aux événements GW et commencera sa quatrième série d’observations (O4) en 2023. Lorsque cela se produira, on espère que plusieurs centaines de collisions de trous noirs seront détectées et ajoutées au catalogue GW. Cela permettra aux astronomes de mieux comprendre le phénomène gravitationnel le plus extrême de l’Univers et de leur faire savoir si GW200129 était une valeur aberrante ou si de tels événements extrêmes sont fréquents.
Cette recherche a été financée par le Conseil des installations scientifiques et technologiques (STFC) – partie du Recherche et innovation au Royaume-Uni (UKRI) – et la Commission européenne Conseil européen de la recherche (ERC). L’article qui décrit leurs découvertes, intitulé “Précession relativiste générale dans un binaire de trou noir», a récemment paru dans la revue La nature.
Lectures complémentaires : Université de Cardiff, La nature
