De nouvelles ondes gravitationnelles détectées

En plus de tourner l’un autour de l’autre, les deux trous noirs effectuaient aussi des rotations autour de leur propre axe.
Photo: LIGO/Caltech/MIT/Sonoma State (Aurore Simonnet) En plus de tourner l’un autour de l’autre, les deux trous noirs effectuaient aussi des rotations autour de leur propre axe.

Aux premières heures du 4 janvier 2017, les deux interféromètres LIGO installés aux États-Unis étaient très légèrement déformés par le passage d’une onde gravitationnelle ayant été engendrée par la fusion de deux trous noirs survenue il y a trois milliards d’années.

Cette observation, imperceptible à nos sens, ajoute une nouvelle confirmation à la théorie de la relativité générale d’Einstein. Elle fournit également des renseignements sur le mode de formation des trous noirs.

Rappelons que les trous noirs sont des objets célestes si compacts que l’intensité de leur champ gravitationnel empêche toute forme de matière ou de rayonnement de s’en échapper.

Cette fusion de trous noirs est la troisième du genre à être détectée par le Laser Interferometer Gravitational Wave Observatory (LIGO) depuis qu’on a accru sa sensibilité. Une première détection avait eu lieu en septembre 2015 et une seconde en décembre 2015.

49 fois la masse du Soleil

À partir du signal enregistré en janvier dernier, les chercheurs de la Collaboration LIGO et VIRGO (l’interféromètre européen qui entrera en activité l’été prochain) ont pu déterminer que la masse des deux trous noirs à l’origine de l’onde gravitationnelle détectée atteignait respectivement 31 fois et 19,5 fois celle du Soleil. Ils ont aussi pu en déduire que leur collision avait donné naissance à un trou noir un peu plus léger que la somme des deux précédents puisque sa masse s’élevait à 49 fois celle du Soleil.

La masse disparue a quant à elle été convertie en énergie sous forme d’ondes gravitationnelles qui, selon Einstein, déforment l’espace-temps — que l’on représente souvent comme un trampoline — lors de leur passage.

Plus précisément, les équations d’Einstein indiquent que les ondes gravitationnelles étirent l’espace dans une direction et le compriment dans la direction perpendiculaire. C’est pourquoi les détecteurs LIGO sont constitués de deux bras perpendiculaires de quatre kilomètres chacun.

L’onde gravitationnelle du 4 janvier dernier a allongé un bras et rétréci l’autre bras des deux détecteurs d’un attomètre (1x10-18 m), soit une longueur 1000 fois plus petite qu’un proton.

Les chercheurs sont néanmoins persuadés que cette déformation, si infime soit-elle, résulte du passage d’une onde gravitationnelle, car une déformation tout à fait identique a été enregistrée par le détecteur situé à Livingston en Louisiane trois millisecondes après celle détectée à Hanford dans l’État de Washington.

Le décalage temporel dans l’apparition du signal entre les deux sites d’enregistrement a par ailleurs permis de déterminer, bien que de façon très grossière, d’où provenait dans le ciel cette onde gravitationnelle.

De multiples télescopes du monde ont alors pointé leur objectif dans cette direction dans l’espoir de détecter un phénomène lumineux qui témoignerait de la fusion des deux trous noirs. Mais rien n’a été détecté.

Einstein

Cette troisième détection d’une onde gravitationnelle se distingue par le fait que l’onde a été produite par des trous noirs situés à trois milliards d’années-lumière de la Terre, soit beaucoup plus loin que ceux des deux premières détections qui avaient été créées à des distances de 1,3 et 1,4 milliard d’années respectivement.

Cette plus grande distance a permis aux chercheurs de confirmer avec plus d’assurance une autre prédiction la théorie de la relativité générale d’Einstein : l’absence de dispersion des ondes gravitationnelles au cours de leur propagation entre leur source d’émission et la Terre.

L’effet de dispersion sur la lumière, par exemple, fait en sorte que les différentes longueurs d’onde de la lumière voyageront à des vitesses différentes lorsqu’elles traverseront un milieu comme le verre, ce qui produit un arc-en-ciel quand elle traverse un prisme, notamment.

La nouvelle détection, dénommée GW170104, a également fourni des indices sur les directions de rotation des deux trous noirs à l’origine de l’onde gravitationnelle enregistrée.

En plus de tourner l’un autour de l’autre, les deux trous noirs effectuaient aussi des rotations sur eux-mêmes autour de leur propre axe, un peu comme si deux patineurs effectuant des vrilles sur eux-mêmes tournaient aussi en même temps l’un autour de l’autre.

Or, l’analyse des données semble indiquer que l’axe de rotation de l’un des deux trous noirs était légèrement incliné et donc se retrouvait désaligné par rapport au mouvement orbital de la paire. Une observation qui suggère que ces deux trous noirs ne proviendraient pas d’un système stellaire binaire, dont les deux étoiles orbitant autour d’un centre commun auraient explosé et seraient alors devenues deux trous noirs, car, étant donné que les axes de rotation d’étoiles d’un système binaire sont parfaitement alignés, les trous noirs qui en découlent le seront aussi.

Par contre, le fait que les axes de rotation des deux trous noirs du système GW170104 semblent désalignés indique plutôt qu’ils se seraient formés indépendamment au sein d’un amas stellaire et qu’ils se seraient rapprochés et finalement jumelés plus tard dans leur évolution.

Cette troisième observation fait l’objet d’un article dans le journal Physical Review Letters.

2 commentaires
  • Claude Coulombe - Abonné 4 juin 2017 20 h 17

    Qu'est-ce au juste que la gravitation?

    Encore un bel article de vulgarisation sur un sujet pourtant difficile par la journaliste Pauline Gravel du Devoir.

    Cela m'amène à me poser la question de l'origine de la force de gravité, au delà de la relativité générale d'Einstein (1915) d'une déformation de l'espace temps par la masse ou de celle de l'attraction des corps de Newton fin du 17e siècle qui est une bonne approximation, F=GMm/r^2.

    Car en 2017, malgré la confirmation des ondes gravitationnelles en 2015 et de nouvelles observations rapportées dans cet article, la théorie de la gravitation demeure un sujet de recherche brûlant et contreversé.

    Surtout pourquoi n'arrive-t-on pas encore, malgré plus de 100 ans d'efforts, à unifier la gravitation aux trois autres forces qui régissent l'Univers et à la non moins fameuse théorie quantique qui régit tout le reste? Cela malgré tous les efforts de générations de physiciens spécialistes de la théorie des cordes et de la gravitaté quantique à boucles.

    De plus, pour rendre les observations (mesures expérimentales) conformes avec la théorie de la gravitation. il a fallu vers la fin des années 90 prédire l'existence de l'énergie sombre qui constituerait environ 70% de la masse / énergie de l'univers et de la matière noire qui représenterait environ 25%, ne laissant que 5% pour la matière normale qui constitue vous, moi, notre Terre, les planètes, le soleil, toutes les étoiles visibles et même les galaxies les plus lointaines que nos télescopes...

    Or depuis bientôt 20 ans... on ne trouve rien de rien. On n'a pas la moindre trace tangible de ce qui constituerait 95% de la masse / énergie de l'Univers. C'est un peu gros quand même!

    Donc malgré l'apparence d'un triomphe, nous sommes à des années-lumière de comprendre la nature profonde de notre univers. C'est désolant, mais en même temps très excitant de savoir qu'il y a tant encore à découvrir...

  • Claude Coulombe - Abonné 4 juin 2017 20 h 43

    De la lumière au bout d'un long tunnel noir...

    Je poursuis dans mon élan d'enthousiasme...

    Heureusement des hypothèses alternatives abondent qui cherchent souvent à aborder le problème selon une nouvelle perspective (sortant du cadre!).

    Parmi les plus prometteuses, je citerai la «gravité entropique» promue par le physicien hollandais Erik Verlinde. La gravité ne serait pas une 4e force de la nature mais une propriété émergente résultant de l'intrication quantique d'information décrivant l'espace-temps à très petite échelle. Elle établit des liens entre la gravité et la thermodynamique dont sa seconde loi dite de l'entropie.

    Surtout ne pas oublier que l'une des meilleures interprétation de l'entropie est quelle est la mesure de notre ignorance de l'état d'un système.

    Un ex-physicien qui s'ennuie parfois de la physique...