Le 11 février 2016, des scientifiques de l'Observatoire des ondes gravitationnelles de l'interféromètre laser (LIGO) ont annoncé la première détection des ondes gravitationnelles. Cette évolution, qui a confirmé une prédiction faite par la théorie de la relativité générale d'Einstein il y a un siècle, a ouvert de nouvelles voies de recherche pour les cosmologistes et les astrophysiciens. Depuis lors, davantage de détections ont été effectuées, qui seraient toutes attribuables à la fusion de trous noirs.
La dernière détection a eu lieu le 14 août 2017, lorsque trois observatoires - les détecteurs Advanced LIGO et Advanced Virgo - ont détecté simultanément les ondes gravitationnelles créées par la fusion des trous noirs. C'était la première fois que des ondes gravitationnelles étaient détectées par trois installations différentes du monde entier, inaugurant ainsi une nouvelle ère de recherche en réseau mondial sur ce phénomène cosmique.
L'étude qui a détaillé ces observations a été récemment publiée en ligne par la collaboration scientifique LIGO et la collaboration Virgo. Intitulée «GW170814: Une observation à trois détecteurs d'ondes gravitationnelles à partir d'une coalescence binaire de trou noir», cette étude a également été acceptée pour publication dans la revue scientifique Lettres d'examen physique.
L'événement, désigné sous le nom de GW170814, a été observé à 10h30:43 UTC (06:30:43 EDT; 03:30:43 PDT) le 14 août 2017. L'événement a été détecté par les deux LIGO de la National Science Foundation. détecteurs (situés à Livingston, Louisiane et Hanford, Washington) et le détecteur Virgo situé près de Pise, en Italie - qui est entretenu par le Centre national de la recherche scientifique (CNRS) et l'Institut national de physique nucléaire (INFN).
Bien qu'il ne s'agisse pas du premier cas d'ondes gravitationnelles détecté, c'était la première fois qu'un événement était détecté simultanément par trois observatoires. Comme l'a dit France Córdova, directrice de la NSF, dans un récent communiqué de presse du LIGO:
«Il y a un peu plus d'un an et demi, NSF a annoncé que son observatoire à ondes gravitationnelles d'interféromètre laser avait effectué la toute première détection d'ondes gravitationnelles, résultant de la collision de deux trous noirs dans une galaxie à un milliard d'années-lumière de distance. Aujourd'hui, nous sommes ravis d'annoncer la première découverte faite en partenariat entre l'observatoire des ondes gravitationnelles de la Vierge et la collaboration scientifique LIGO, la première fois qu'une détection d'ondes gravitationnelles a été observée par ces observatoires, situés à des milliers de kilomètres l'un de l'autre. Il s'agit d'un jalon passionnant dans l'effort scientifique international croissant pour percer les mystères extraordinaires de notre univers. »
Sur la base des ondes détectées, la collaboration LIGO Scientific Collaboration (LSC) et Virgo ont pu déterminer le type d'événement, ainsi que la masse des objets impliqués. Selon leur étude, l'événement a été déclenché par la fusion de deux trous noirs - qui étaient respectivement de 31 et 25 masses solaires. L'événement a eu lieu à environ 1,8 milliard d'années-lumière de la Terre et a entraîné la formation d'un trou noir en rotation avec environ 53 masses solaires.
Cela signifie qu'environ trois masses solaires ont été converties en énergie d'ondes gravitationnelles pendant la fusion, qui a ensuite été détectée par LIGO et Virgo. Bien qu'impressionnante en soi, cette dernière détection n'est qu'un avant-goût de ce que les détecteurs d'ondes gravitationnelles comme les collaborations LIGO et Virgo peuvent faire maintenant qu'ils sont entrés dans leurs stades avancés et en coopération les uns avec les autres.
Advanced LIGO et Advanced Virgo sont des détecteurs d'ondes gravitationnelles de deuxième génération qui ont pris le relais des précédents. Les installations LIGO, qui ont été conçues, construites et exploitées par Caltech et le MIT, ont collecté des données sans succès entre 2002 et 2010. Cependant, en septembre 2015, Advanced LIGO s'est mis en ligne et a commencé à effectuer deux cycles d'observation - O1 et O2.
Pendant ce temps, le détecteur Virgo original a effectué des observations entre 2003 et octobre 2011, encore une fois sans succès. En février 2017, l'intégration du détecteur Advanced Virgo a commencé et les instruments ont été mis en ligne en avril suivant. En 2007, Virgo et LIGO se sont également associés pour partager et analyser conjointement les données enregistrées par leurs détecteurs respectifs.
En août 2017, le détecteur Virgo a rejoint la série O2 et la toute première détection simultanée a eu lieu le 14 août, les données étant collectées par les trois instruments LIGO et Virgo. Comme l'a indiqué le porte-parole du LSC, David Shoemaker - chercheur au Massachusetts Institute of Technology (MIT) -, cette détection n'est que la première des nombreuses manifestations prévues.
"Ce n'est que le début des observations avec le réseau activé par Virgo et LIGO travaillant ensemble", a-t-il déclaré. «Avec la prochaine campagne d'observation prévue pour l'automne 2018, nous pouvons nous attendre à de telles détections chaque semaine ou même plus souvent.»
Non seulement cela signifie que les scientifiques ont une meilleure idée de la détection des événements futurs, mais ils seront également en mesure de les localiser avec une précision beaucoup plus grande. En fait, la transition d'un réseau à deux à trois détecteurs devrait augmenter la probabilité de localiser la source de GW170814 par une usine de 20. La région du ciel pour GW170814 n'est que de 60 degrés carrés - plus de 10 fois plus petite que avec les données des seuls interféromètres de LIGO.
De plus, la précision avec laquelle la distance à la source est mesurée a également bénéficié de ce partenariat. Comme l'explique Laura Cadonati, professeur de Georgia Tech et porte-parole adjointe du LSC:
«Cette précision accrue permettra à l'ensemble de la communauté astrophysique de faire des découvertes encore plus excitantes, y compris des observations multi-messagers. Une zone de recherche plus petite permet des observations de suivi avec des télescopes et des satellites pour les événements cosmiques qui produisent des ondes gravitationnelles et des émissions de lumière, telles que la collision d'étoiles à neutrons. »
En fin de compte, l'introduction de plus de détecteurs dans le réseau d'ondes gravitationnelles permettra également des tests plus détaillés de la théorie de la relativité générale d'Einstein. David H. Reitze de Caltech, directeur exécutif du laboratoire LIGO, a également salué le nouveau partenariat et ce qu'il permettra.
«Avec cette première détection conjointe par les détecteurs Advanced LIGO et Virgo, nous avons franchi une étape supplémentaire dans le cosmos des ondes gravitationnelles», a-t-il déclaré. "Virgo apporte une nouvelle capacité puissante pour détecter et mieux localiser les sources d'ondes gravitationnelles, une qui conduira sans aucun doute à des résultats excitants et imprévus à l'avenir."
L’étude des ondes gravitationnelles témoigne de la capacité croissante des équipes scientifiques mondiales et de la science de l’interférométrie. Pendant des décennies, l'existence d'ondes gravitationnelles n'était qu'une théorie; et au tournant du siècle, toutes les tentatives pour les détecter n'avaient rien donné. Mais au cours des dix-huit derniers mois seulement, plusieurs détections ont été effectuées et des dizaines d'autres sont attendues dans les années à venir.
De plus, grâce au nouveau réseau mondial et aux instruments et méthodes améliorés, ces événements sont sûrs de nous en dire long sur notre Univers et la physique qui le régit.
