LIGO est à l'affût de ces 8 sources d'ondes gravitationnelles

LIGO est à l'affût de ces 8 sources d'ondes gravitationnelles
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Les chercheurs d'ondes gravitationnelles participent à une chasse au trésor cosmique.

Depuis la mise en service de l'Observatoire des ondes gravitationnelles de l'interféromètre laser avancé en 2015, les physiciens ont capté ces ondulations dans l'espace-temps de plusieurs animaux gravitationnels exotiques – et les scientifiques en veulent plus.

LIGO et son observatoire partenaire Virgo ont annoncé cette semaine, faisant de ce qui était jadis un objectif de plusieurs décennies presque banal (SN en ligne: 5/2/19).

"Nous commençons à peine à voir le champ de l'astronomie des ondes gravitationnelles s'ouvrir", a déclaré le 2 mai, Patrick Brady, porte-parole du LIGO à l'université de Wisconsin – Milwaukee. "Ouvrir une nouvelle fenêtre sur l'univers comme celui-ci nous apportera une nouvelle perspective sur ce qui se passe là-bas."

La vitesse et la hauteur des signaux gravitationnels permettent aux astronomes de discerner ce qui remue les vagues. Voici les sources d’ondes gravitationnelles que les scientifiques ont déjà dans leurs réseaux et ce qu’ils espèrent encore trouver.

1. Paires de trous noirs en collision

Statut: trouvé

LIGO, chacun environ 30 fois la masse du soleil (SN: 3/5/16, p. 6). L'expérience a permis de détecter les vibrations des trous noirs qui fusionnaient le 14 septembre 2015, quatre jours avant le début officiel des observations pour le LIGO récemment mis à niveau.

Cette première découverte a prouvé que des objets massifs en mouvement agitent l'espace-temps pour produire des ondes gravitationnelles, comme l'avait prédit Einstein un siècle plus tôt. De plus, la découverte a prouvé que des expériences sur Terre pouvaient détecter ces ondes, ce dont Einstein était sceptique. Trois des fondateurs de LIGO ont été récompensés pour la détection (SN: 10/28/17, p. 6).

Au total, LIGO et Virgo ont détecté des ondes gravitationnelles provenant de 10 paires confirmées de trous noirs en collision, ainsi que trois autres candidats mis en réseau au cours du dernier mois.

2. Paires d'étoiles à neutrons en collision

Statut: trouvé

On pensait qu'une paire d'étoiles à neutrons qui se confondaient, les denses cadavres stellaires d'étoiles massives morts dans une supernova, pourraient également déclencher des ondes gravitationnelles. Ensuite, l’équipe LIGO-Virgo a capturé le premier cas connu d’un tel événement et un second le 25 avril (SN: 11/11/17, p. 6).

CHIRP COSMIQUE Les ondes gravitationnelles sont analogues aux ondes sonores. Si les oreilles humaines pouvaient entendre les vagues créées par une paire d’étoiles à neutrons en collision, elles sonneraient comme un grondement sourd alors que les étoiles à neutrons s’entouraient. Ensuite, la hauteur du son augmenterait à mesure que les étoiles se rapprocheraient, aboutissant à un léger «pépiement» lorsque les objets fusionneraient (environ 29 secondes).

Institut Max Planck de physique gravitationnelle

Des observations de suivi effectuées avec des télescopes sensibles à la lumière à travers le spectre électromagnétique ont révélé des détails cachés de ce premier crash d'étoiles à neutrons, notamment le fait que la collision avait forgé des éléments précieux comme l'or, l'argent et le platine.

3. Une étoile à neutrons se brisant dans un trou noir

Statut: Peut-être

Un autre type de fusion susceptible de générer des ondulations dans l'espace-temps est similaire au tourbillon chocolat-vanille sur un stand de crème glacée: un trou noir et une étoile à neutrons se fondant dans un seul objet. Les observatoires ont vu une éventuelle signature de ce type de fusion le 26 avril, mais le signal était trop faible pour que les scientifiques puissent en être sûrs.

Si l'équipe confirme que ce signal représente réellement un trou noir et un tourbillon d'étoiles à neutrons, cela prouverait que les deux types d'objets peuvent vivre côte à côte. Avant de fusionner, le trou noir et l'étoile à neutrons auraient dû orbiter l'un l'autre dans un système binaire proche.

"Nous ne serions pas surpris qu’elles n’existent pas, mais nous n’en avons pas vu une", déclare Christopher Berry, membre de l’équipe LIGO de la Northwestern University à Evanston, dans l’Illinois.

L’étude d’un tel système pourrait aider à éclairer la (SN: 10/27/18, p. 8). «Les étoiles à neutrons ressemblent à des noyaux atomiques géants. Ils ne ressemblent en rien à ce que nous pouvons créer sur Terre », explique Berry. La fusion d’étoiles à neutrons observée en 2017 a donné des détails sur (SN: 12/23/17, p. 7), y compris leur masse et leur viscosité maximales. En espionnant une fusion entre un trou noir et une étoile à neutrons, on pourrait voir comment une étoile à neutrons se déforme près de l'extrême gravité d'un trou noir, une autre pièce du puzzle du comportement des pâtes nucléaires.

4. Une collision impliquant un trou noir de masse intermédiaire

Statut: pas encore

Tous les trous noirs que LIGO et Virgo ont détectés jusqu'à présent sont de masse stellaire, ce qui signifie qu'ils pèsent généralement moins de 100 fois la masse du soleil. Les physiciens savent aussi qu’ils pèsent des millions ou des milliards de fois la masse du soleil (SN: 27/04/19, p. 6). Mais il n’est pas clair s’il existe des trous noirs séparés par des masses.

Tel "pourrait être le lien entre les trous noirs de masse stellaire et les trous noirs supermassifs dans les centres des galaxies", a déclaré le 2 mai à la conférence de presse Giovanni Andrea Prodi, membre de l'équipe Virgo.

Des recherches antérieures ont révélé des indices de tels trous noirs de poids moyen, mais une collision détectée avec des ondes gravitationnelles constituerait une preuve plus définitive. S'ils n'existent pas, "c'est vraiment intéressant", dit Berry, car cela signifierait que des trous noirs supermassifs doivent avoir été (SN en ligne: 16/03/18).

5. Une étoile à neutrons cahoteuse

Statut: pas encore

Une autre façon de voler les secrets des mystérieuses pâtes nucléaires des stars à neutrons consiste à détecter des «montagnes» miniatures à leur surface. Tous les objets massifs qui accélèrent génèrent des ondes gravitationnelles, mais la plupart d'entre eux sont trop faibles pour être détectés. Les physiciens pensent qu’une étoile à neutrons isolée avec une légère imperfection, comme une bosse d’environ un millimètre, émettrait des ondes gravitationnelles détectables lorsqu’elle tournait. De telles ondes pourraient aider à dire à quel point le matériau de l’étoile à neutrons peut être rigide, afin de supporter les bosses.

Contrairement à la plupart des autres sources de cette liste, les étoiles à neutrons cahoteuses produiraient des ondes gravitationnelles continues, détectées comme un «ronflement» constant par les observatoires.

6. Les explosions de supernova

Statut: pas encore

LIGO et Virgo pourraient également capter les ondes gravitationnelles des explosions de supernova, les cataclysmes lumineux à la fin de la vie d’étoiles massives.

Les supernovas émettent, y compris des particules subatomiques fantomatiques appelées neutrinos qui naissent au cœur des explosions (SN: 18/02/17, p. 20). Mais les scientifiques ne savent toujours pas exactement ce qui fait exploser une étoile en tant que supernova.

Ce qu’ils savent, c’est que lors d’une explosion de supernova, le noyau central de l’étoile s’effondre et que l’étoile proto-neutron obtenue recueille des matériaux à partir du reste du noyau qui s’effondre. La turbulence à la surface de l'étoile proto-neutron la fait vibrer comme une cloche, émettant des ondes gravitationnelles. L’astrophysicien David Radice de l’Université de Princeton et ses collègues ont rendu compte de ce signal d’onde gravitationnelle spécifique le 29 avril dans le journal Lettres du journal astrophysique.

«Les ondes gravitationnelles, les neutrinos et la lumière de la prochaine supernova galactique pourraient nous permettre de comprendre la structure de l'étoile qui explose et la nature du mécanisme à l'origine de son explosion», explique Radice.

Le problème, c’est qu’une supernova devrait être assez proche, dans notre propre galaxie, la Voie lactée, pour que les détecteurs LIGO actuels l’attrapent. Et les astronomes ne savent pas (SN: 18/02/17, p. 24).

«Le taux de détection prévu n’est que d’environ deux par siècle, nous devrons donc être vraiment chanceux ou très patient», déclare Radice.

7. Vagues déclenchées par le Big Bang

Statut: pas encore

Les physiciens s'attendent à ce que de nombreuses petites ondes gravitationnelles venant de partout dans l'univers s'écrasent sans cesse sur la Terre. Ces ondes forment un fond aléatoire d'ondes gravitationnelles, comme un enchevêtrement de voix dans une salle bondée.

Les physiciens pensent qu'au moins certaines de ces voix proviennent du Big Bang. Détecter les ondes gravitationnelles reliques générées par le Big Bang lui-même reviendrait à regarder plus loin dans l’histoire de l’univers que jamais auparavant. Mais il sera difficile de taquiner ce signal en dehors de tous les autres.

«À mesure que vous obtenez un détecteur plus sensible, vous pourrez peut-être sélectionner des voix individuelles», explique Berry. "Il s'agit actuellement d'un problème non résolu."

8. Nouvelles sources?

Statut: pas encore

Il est toujours possible que les détecteurs captent les ondes gravitationnelles d’une source que les scientifiques ne reconnaissent pas. Chaque fois que les chercheurs ont envisagé l’univers d’une nouvelle manière, ils ont découvert quelque chose qu’ils n’avaient pas prédit, explique Berry. «Nous examinons maintenant des ondes gravitationnelles, un type de rayonnement complètement différent», dit-il. "Il est peut-être un peu arrogant de penser que nous savons tout ce qui se passe."

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