GW190412: une fusion de deux trous noirs de masses très différentes

Publié par Adrien le 21/04/2020 à 09:00
Source: CNRS IN2P3
La troisième campagne de prise de données commune à LIGO et Virgo (le run O3) apporte un nouvel éclairage sur les dernières orbites et la fusion de systèmes binaires de trous noirs. La première onde gravitationnelle détectée en 2015, GW150914, avait été émise lors de la fusion (En physique et en métallurgie, la fusion est le passage d'un corps de l'état solide vers l'état liquide. Pour un corps pur, c’est-à-dire pour une substance constituée de molécules toutes identiques, la fusion s'effectue à...) de deux trous noirs ; ce type de source s'est depuis affirmé comme le plus courant. Leur étude apporte des progrès sur la caractérisation des populations de trous noirs astrophysiques. Cependant, les systèmes observés jusqu'à présent étaient toujours formés de deux trous noirs de masses sensiblement égales. Cet état de fait a été rompu par l'observation (L’observation est l’action de suivi attentif des phénomènes, sans volonté de les modifier, à l’aide de moyens d’enquête et d’étude appropriés. Le plaisir...) de la fusion d'un système binaire (Le système binaire est un système de numération utilisant la base 2. On nomme couramment bit (de l'anglais binary digit, soit « chiffre binaire ») les chiffres de la numération binaire. Ceux ci ne peuvent...) très particulier le 12 avril 2019 à 07:30:44 heure (L’heure est une unité de mesure du temps. Le mot désigne aussi la grandeur elle-même, l'instant (l'« heure qu'il est »), y compris en sciences...) de Paris (Paris est une ville française, capitale de la France et le chef-lieu de la région d’Île-de-France. Cette ville est construite sur une boucle de la Seine, au centre du bassin parisien, entre les confluents de la Marne et...), à peine deux semaines après le début du run O3, le 1er avril.


Distance estimée pour la source de GW191412 en fonction de l'angle d'inclinaison (En mécanique céleste, l'inclinaison est un élément orbital d'un corps en orbite autour d'un autre. Il décrit l'angle entre le plan de l'orbite et le plan de référence...) du plan de l'orbite (En mécanique céleste, une orbite est la trajectoire que dessine dans l'espace un corps autour d'un autre corps sous l'effet de la gravitation.) du système binaire par rapport à la ligne de pointé. En général, ces deux quantités sont fortement corrélées mais ici les masses des deux trous noirs très différentes permettent de les déterminer partiellement indépendamment l'une de l'autre. La distance la plus probable est d'environ 700 Mpc, soit 2,3 milliards d'années-lumière. © EGO-Virgo

Le signal ( Termes généraux Un signal est un message simplifié et généralement codé. Il existe sous forme d'objets ayant des formes particulières....), dénommé GW190412, a été détecté par trois détecteurs: Advanced Virgo et les deux instruments Advanced LIGO (LIGO (pour Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory) est un projet d'interféromètre américain, destiné à détecter les ondes gravitationnelles.). Il a été produit par la fusion d'un système binaire de trous noirs avec des masses très différentes: l'un des deux astres est environ 3 à 4 fois plus massif (Le mot massif peut être employé comme :) que l'autre. On estime que les trous noirs qui ont fusionné avaient des masses de l'ordre de 30 et 8 fois la masse (Le terme masse est utilisé pour désigner deux grandeurs attachées à un corps : l'une quantifie l'inertie du corps (la masse inerte) et l'autre la contribution du corps à la force de gravitation (la masse grave)....) du Soleil (Le Soleil (Sol en latin, Helios ou Ήλιος en grec) est l'étoile centrale du système solaire. Dans la classification astronomique, c'est une étoile de type naine jaune, et...). La disparité des masses produit des modulations spécifiques des ondes gravitationnelles émises, prédites en théorie (Le mot théorie vient du mot grec theorein, qui signifie « contempler, observer, examiner ». Dans le langage courant, une théorie est une idée ou une connaissance spéculative, souvent basée sur...) et qui ont maintenant été observées pour la première fois. Plus précisément, la différence de masses amplifie de manière inhabituelle la production de "Modes d'Ordres Supérieurs" d'ondes gravitationnelles, des signaux qui sont détectables pour GW190412 et fournissent ainsi une nouvelle confirmation de la Relativité Générale (La relativité générale, fondée sur le principe de covariance générale qui étend le principe de relativité aux référentiels non-inertiels,...) d'Einstein. Ces modes permettent aussi de déterminer plus précisément l'inclinaison du plan de rotation du système par rapport à la ligne de pointé ainsi que la distance de la source, En général, ces deux quantités sont fortement couplées mais ici les modes d'ordre supérieur permettent de les déterminer partiellement indépendamment l'une de l'autre. La distance la plus probable est d'environ 700 Mpc, soit 2,3 milliards d'années-lumière.

La différence de masse observée entre les deux objets du système est également une surprise. La plupart des fusions observées ont pour origine des systèmes binaires dont les masses devraient être théoriquement proches. Or il semble que dans le cas de GW190412 il faille trouver un autre mécanisme de formation. "Les détecteurs Virgo et LIGO deviennent de plus en plus sensibles, le taux de détection augmente et nous nous attendons à observer des événements nouveaux ou inattendus. GW190412 est inhabituel et intéressant, à cause de la grande différence de masse entre les deux trous noirs qui ont fusionné. Nous découvrons que de tels systèmes existent et en apprenons plus sur leur rareté. Cela nous permettra de comprendre comment ils se sont formés, une question qui me passionne", nous explique Giancarlo Cella, chercheur (Un chercheur (fem. chercheuse) désigne une personne dont le métier consiste à faire de la recherche. Il est difficile de bien cerner le métier de chercheur tant les domaines de recherche sont diversifiés...) à l'Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (INFN) italien et actuellement Coordinateur de l'analyse de données (Dans les technologies de l'information (TI), une donnée est une description élémentaire, souvent codée, d'une chose, d'une transaction d'affaire, d'un événement, etc.) pour la Collaboration Virgo.

"Les masses très différentes de cette source d'ondes gravitationnelles ont rendu (Le rendu est un processus informatique calculant l'image 2D (équivalent d'une photographie) d'une scène créée dans un logiciel de modélisation 3D comportant à la fois des objets et des sources...) visibles les harmoniques du signal principal pour la toute première fois. Cela nous a fourni (Les Foúrnoi Korséon (Grec: Φούρνοι Κορσέων) appelés plus communément Fourni, sont un archipel...) une opportunité formidable de tester une prédiction importante de la théorie d'Einstein sur ce qui se passe quand deux trous noirs de tailles différentes se percutent", ajoute Anuradha Samajdar, chercheur post-doctorant au National Institute for Subatomic Physics (Nikhef) néerlandais et membre de la Collaboration Virgo.

"L'analyse de ce signal gravitationnel est un bel (Nommé en l’honneur de l'inventeur Alexandre Graham Bell, le bel est unité de mesure logarithmique du rapport entre deux puissances, connue pour exprimer la puissance du son. Grandeur sans...) exemple de collaboration fructueuse entre de nombreux scientifiques. La modélisation théorique du signal est ici particulièrement importante car elle permet de réaliser une analyse fine du signal et d'en révéler des détails passés jusqu'ici inaperçus: les modes d'ordre supérieurs. Ceci, combiné à l'arsenal des algorithmes d'analyse, a permis l'observation de cette binaire composée de trous noirs de masses très différentes et la mesure du spin (Le spin est une propriété quantique intrinsèque associée à chaque particule, qui est caractéristique de la nature de la...) du trou noir (En astrophysique, un trou noir est un objet massif dont le champ gravitationnel est si intense qu’il empêche toute forme de matière ou de rayonnement de s’en échapper (à l'exception notable de la radiation de...) primaire, qui pourraient en retour avoir des implications astrophysiques très intéressantes." explique Stanislas Babak, directeur de recherches au CNRS/IN2P3, laboratoire Astroparticule et Cosmologie (La cosmologie est la branche de l'astrophysique qui étudie l'Univers en tant que système physique.) à Paris.

L'article scientifique (Un scientifique est une personne qui se consacre à l'étude d'une science ou des sciences et qui se consacre à l'étude d'un domaine avec la rigueur et les méthodes scientifiques.) complet est accessible gratuitement via le lien suivant.
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