La « lumière » gravitationnelle (3/4) : l’événément GW150914

Suite du billet précédent : De la barre à l’interféromètre

L’annonce historique de la première détection directe des ondes gravitationnelles a bel et bien été faite le jeudi 11 février 2016 par les équipes de chercheurs travaillant sur les interféromètres LIGO et VIRGO.

Il y a eu tant d’articles, billets de blog et autres interviews délivrés depuis dans les médias du monde entier que je ne vais pas développer longuement mon point de vue sur la découverte elle-même. Son intérêt majeur (on fera l’impasse sur les titres idiots du genre « Einstein avait raison ») n’est pas la détection en soi, prédite et attendue, mais:
1/ la confirmation directe de l’existence des trous noirs, vivement décriée par certains,
2/ non pas la fin d’une grande aventure scientifique comme c’était le cas avec la découverte du boson de Higgs-Englert (qui mettait un point final au modèle standard de la physique des particules, sans aller au-delà), mais au contraire le début d’une nouvelle ère pour l’astronomie expérimentale. Les fabuleuses prouesses technologiques mises en œuvre dans les interféromètres LIGO et VIRGO ont permis d’ouvrir enfin la fenêtre de l’astronomie gravitationnelle, avec vue à venir sur d’immenses territoires encore inconnus.

Au moment de l’annonce j’étais en voyage au Maroc. Je n’ai donc pas  pu assister à la conférence de presse, encore moins répondre aux nombreuses demandes d’interviews pour la presse écrite, la radio et la télévision.  Peu importe, de nombreux chercheurs l’ont fait et très bien fait, notamment mon ancien collègue à l’Observatoire de Paris Thibault Damour dans cette excellente interview pour le journal Le Monde. Ayant été l’un des premiers théoriciens à calculer les courbes d’émission gravitationnelle issue de la coalescence de trous noirs, Damour mériterait de figurer sur la liste des physiciens nobélisables, au même titre que son homologue américain Kip Thorne ou que le directeur du programme LIGO, David Reitze. Hélas, l’histoire montre que les prix Nobel de physique sont rarement donnés aux théoriciens qui prédisent tel ou tel phénomène, ils sont très généralement attribués aux expérimentateurs qui confirment la prédiction (à cet égard  le prix Nobel attribué à Higgs et Englert a été une heureuse exception).

Pour ma modeste part, je n’ai jamais travaillé directement sur le sujet des ondes gravitationnelles, mais je l’ai souvent évoqué dans des interviews (ci-dessous, sur ma chaîne youtube)

Pour en savoir beaucoup plus...

ainsi que dans mes articles et livres de vulgarisation. J’ai mis à profit les deux nuits blanches passées dans mon hôtel de Casablanca pour rédiger les deux billets de blogs précédents, ici et ici, qui reprenaient pour l’essentiel (en les actualisant légèrement) des éléments du chapitre que j’avais consacré à « La lumière gravitationnelle » dans mon livre de 2006, Le Destin de l’Univers : trous noirs et énergie sombre. Dans ce troisième billet je quitte le livre pour délivrer mes premières impressions sur la découverte annoncée jeudi. Dans un quatrième et dernier billet, je discuterai du futur de l’astronomie gravitationnelle.

BHmerger_LIGO_960  Les ondes gravitationnelles GW150914 détectées simultanément le 14 septembre 2015 par les deux interféromètres LIGO, situés dans les états de Washington et de Louisiane, reproduisent correctement les prédictions théoriques décrivant la fusion de deux trous noirs stellaires de 36 et 29 masses solaires, à la distance de 1,3 milliards d’années-lumière. La coalescence a engendré un trou noir unique de 62 masses solaires, les 3 masses solaires « manquantes » ayant été converties en énergie évacuées par les ondes gravitationnelles. L’illustration ci-dessus montre en haut une vue d’artiste du phénomène et en bas les deux courbes superposées donnant l’intensité du signal gravitationnel tel qu’il a été capté par les deux détecteurs LIGO durant  0,3 seconde.  Pour mémoire, je reproduis ci-dessous la figure théorique que je montrais dans mon billet 1/3 : Principes de base. On appréciera la similitude.

La coalescence de deux trous noirs de 10 masses solaires chacun engendre des ondes gravitationnelles caractéristiques des phases du mouvement ; d’abord, les trous noirs s’approchent l’un de l’autre en spirale, puis fusionnent ; le trou noir final évacue ses irrégularités sous forme de modes quasi normaux.
La coalescence de deux trous noirs de 10 masses solaires chacun engendre des ondes gravitationnelles caractéristiques des phases du mouvement ; d’abord, les trous noirs s’approchent l’un de l’autre en spirale, puis fusionnent ; le trou noir final évacue ses irrégularités sous forme de modes quasi normaux.

Je livre ici brièvement mes premières impressions, sans les développer davantage.

Je note en premier lieu les masses étonnamment élevées des trous noirs mis en jeu. Jusqu’ici , les trous noirs stellaires les plus massifs présents dans des systèmes binaires à rayons X ne dépassaient pas 15 masses solaires. Un trou noir stellaire se forme soit par la fusion de deux étoiles à neutrons, soit dans une explosion d’hypernova associée à une étoile massive. Dans le premier cas, on ne peut obtenir qu’un trou noir de masse modeste – au plus 6 masses solaires -, puisque les étoiles à neutrons génitrices ne peuvent chacune dépasser 3 masses solaires. Un trou noir massif de 30 masses solaires ne peut donc provenir  que d’une explosion d’hypernova associée à une étoile d’au moins 100 masses solaires. C’est en effet le cœur de l’étoile qui s’effondre pour former le trou noir, l’essentiel de la masse stellaire étant au contraire éjecté dans une titanesque explosion. D’ailleurs, les (difficiles) simulations numériques de tels phénomènes n’avaient jusqu’ici jamais réussi à produire des trous noirs résiduels aussi massifs que 30 masses solaires. Preuve que la nature a encore bien des tours dans son sac, et que nos modèles numériques d’effondrement gravitationnel sont à revoir… C’est une première bonne nouvelle.

Simulation numérique d'une explosion d'hypernova, donnant naissance à un sursaut de rayonnement gamma et formant un trou noir au centre.
Simulation numérique d’une explosion d’hypernova, donnant naissance à un sursaut de rayonnement gamma et formant un trou noir au centre.

Je note ensuite qu’il est très étonnant d’avoir non pas un, mais deux trous noirs stellaires inhabituellement massifs, de surcroît accouplés dans un système binaire serré. En effet, les étoiles hypermassives (disons 100 masses solaires) seules susceptibles d’engendrer des trous noirs de  30 masses solaires sont excessivement rares (peut-être une sur 100 000). Mais en avoir DEUX vivant en couple paraît totalement invraisemblable.  On peut penser en outre  qu’une cataclysmique explosion d’hypernova aurait tendance à briser n’importe quel couple. Or ici il y aurait eu deux explosions cataclysmiques dans un couple serré, et le couple aurait résisté (comme c’est beau…) Et puisque les faits sont têtus, il a falloir aussi réviser nos modèles sur la formation et l’évolution des binaires massives. Deuxième bonne nouvelle !

Un couple serré de deux trous noirs anormalement massifs, destinés à fusionner.
Un couple serré de deux trous noirs anormalement massifs, destinés à fusionner.

Enfin, je m’esbaudis devant la combinaison inouïe d’heureux hasards ayant permis aux équipes LIGO d’avoir détecté l’événement GW150914:
1/ les détecteurs « advanced LIGO » sont entrés en opération début septembre 2015 et ont reçu le signal le 14, un signal pourtant émis (en une seule fois) il y a … 1,3 milliards d’années!
2/ la sensibilité des détecteurs tout juste branchés n’était pas encore à son stade nominal pour capter un signal gravitationnel résultant de la fusion « typique » de deux trous noirs de 10 masses solaires. Il a donc fallu une événement extrêmement atypique, mettant en jeu un couple anormal formé de deux trous noirs anormalement massifs pour produire un signal d’intensité  anormalement élevée !!

De quoi se congratuler avec une chance pareille!
De quoi se congratuler avec une chance pareille!

Dans le quatrième et dernier billet consacré aux ondes gravitationnelles, je parlerai des futurs projets d’interféromètres embarqués dans l’espace, qui élargiront considérablement la gamme de phénomènes physiques susceptibles d’être détectés par leur rayonnement gravitationnel.

Suite et fin : Le futur est dans l’espace

16 réflexions sur “ La « lumière » gravitationnelle (3/4) : l’événément GW150914 ”

  1. Question toute naturelle :
    Quel est la particule associée à ces ondes ?
    Comment la mettre en évidence ?
    Merci pour vos articles
    Fred

    1. Le graviton est la particule associée à l’onde gravitationnelle. Mais on ne peut pas le détecter individuellement en raison du nombre énorme de gravitons transportés par l’onde (de même qu’une antenne TV ne résout pas les photons indivuels).

  2. Bonjour et merci pour le partage !

    1,3 milliard d’années. Il s’agissait pas d’arriver en retard.
    Ni en avance, d’ailleurs.
    Et n’y a t’il pas d’autres signaux du même évènement qui suivront ceux là ?
    Ou ceux ci étaient les seuls suffisamment forts pour être détectés ?

    Bonnes journées !

  3. Bonjour.
    Comment connaît-on la masse des deux trous noirs mis en jeu de même que leur distance ?
    et ne peut-il y avoir de ce côté là des sources d’incertitude qui pourraient expliquer ces masses surprenantes ? (Est ce que deux trous noirs moins massifs mais plus proches par exemple ne pourraient pas générer un signal similaire ?)
    merci encore pour vos articles.
    Cdt.

  4. Bonjour,
    Vos commentaires sur cet évènement méritent vraiment d’être lus car ils mettent en perspective un point remarquable de cette fabuleuse prouesse technique: le fait que quelque chose ne va pas dans nos modèles théoriques, car cet évènement était donc clairement improbable. Je vais me permettre une analyse personnelle en espérant que cela intéressera aussi vos lecteurs (ainsi que vous-même).
    Comme je l’ai mentionné dans votre premier billet, j’ai écrit 2 articles à propos de la matière noire et l’énergie noire (et je ne pensais pas en reparler à nouveau ici!). Mais cette improbabilité est essentiellement due aux masses improbables des trous noirs. Or l’explication que je propose pour la matière noire est qu’elle serait due non pas à de la matière mais au champ gravitomagnetique des clusters (un champ semblable au champ magnétique de l’électromagnétisme). Dans le même ordre d’idée, le champ gravitique d’un trou noir pourrait très bien être non négligeable. Ainsi l’énergie déduite des ondes gravitationnelles ne serait pas entièrement de la masse mais en partie du champ « gravitique ». Les masses réelles seraient alors plus faibles et la probabilité de cet évènement plus grande tout en expliquant la quantité d’énergie détectée.
    Cdt

  5. Un grand merci pour le temps que vous accordez à mettre à notre portée ces découvertes, et nous faire ainsi partager le bonheur, l’enthousiasme et l’émerveillement de la communauté scientifique. Un poil plus réjouissant que les trois mots de vocabulaires grossiers de certains « prix Nobel » du ballon rond !

  6. Bonjour Monsieur LUMINET
    Ma question concerne la relation entre expansion de l’univers et mesure des ondes gravitationnelles.
    Dans Wikipedia rubrique « l’Expansion de l’univers » il est écrit au chapitre « Expansion de l’Univers, mais pas des objets astrophysiques » que :
    « Contrairement à une idée parfois exprimée, l’expansion de l’Univers ne signifie pas que les objets astrophysiques voient leur taille varier : ce n’est que leur distance mutuelle qui varie au cours du temps, et ce uniquement pour des objets suffisamment éloignés. Si la dilatation de l’espace était identique à toute échelle, l’expansion de l’univers serait inobservable, puisque les instruments et moyens de mesure garderaient la même échelle relative aux distances mesurées.
    Les forces nécessaires pour contrer le mouvement d’expansion à l’échelle d’un atome, d’une planète, d’une étoile, d’une galaxie, d’un amas de galaxies, sont suffisantes pour assurer la cohésion de ces objets. Il a été très facile à la force de gravitation, aux forces électromagnétiques ou à la force nucléaire forte de s’opposer à l’éloignement qui résultait de l’expansion de l’Univers. »

    N’est-ce pas incompatible avec la procédure de mesure des ondes gravitationnelles, puisque cette mesure prend justement en compte la variation du tissu élastique de l’espace-temps qui va provoquer des interférences de la lumière qui a une vitesse absolue dans le vide ?
    Qu’en pensez-vous ?
    Merci de votre réponse.
    Michel Rennes (à coté d’Aix en Provence). Et je me réjouis à l’idée d’assister à votre conférence du 10 mars.
    PS : L’annonce de la détection des ondes gravitationnelles m’a incité à rechercher des explications complémentaires et je suis tombé sur votre Blog. C’est un grand plaisir. Merci de vos efforts de communication et d’éducation.

    1. Merci de suivre mon blog et de votre intention d’assister à ma prochaine conférence à Aix. Je ne suis pas certain de bien comprendre votre question. La variation de l’espace (dilatation/contraction) au passage des ondes gravitationnelles n’a rien à voir avec l’expansion cosmologique…

  7. Tant de savantes instructions demandent réflexion. IL faudra relire plusieurs fois avant d’y voir CLAIR. Enfin, je crois que vous êtes le meilleur et ce, à ne pas en douter. Merci!

  8. Bonjour Mr. J-P Luminet !
    Félicitations pour votre blog que je découvre !
    C’est un plaisir d’avoir un scientifique qui commente la science en direct et avec brio et un vocabulaire adapté à nous pauvres béotiens.
    Une chose m’intrigue dans la vie de vos « trous noirs » : de quoi sont-ils constitués : Quarks ???? plus dense que les neutrons ??
    Merci pour votre réponse .
    Cordialement.
    José Basso Universitare retraité

  9. Bonjour tardif Mr Luminet et merci pour votre travail de publication sur le Web.

    La gravité est un domaine passionant, mais je ne suis pas physicien et beaucoup de cette culture me manque pour répondre à des questions toutes simples (que d’autres ont évoquées partiellement dans les réactions).

    Ma crainte principale dans mes démarches scientifiques (doctorat) était le biais : on trouve surtout ce qu’on cherche. Or, ici on trouve ce qu’on cherchait, mais avec une telle coalescence d’improbabilités que j’en ressens (notion éminemment peu scientifique) une forte suspicion. Avant de remettre en cause les travaux théoriques, je commencerais par me demander si l’instrument (les trois étant sensiblement identiques, ils ne font que répliquer la même démarche et les mêmes technologies) n’aurait pas mesuré autre chose que les ondes gravitationnelles de trous noirs dont l’emplacement et les masses remettent en question les théories cosmologique majoritaires. C’est un peu une démarche zététique de base : quand une observation est surprenante (par rapport aux connaissances), c’est probablement qu’elle est fausse (ou ffaussement interprétée).

    Quelles « garanties » (à défaut de preuves) avons-nous que les mesures réalisées entretiennent un lien causal avec la théorie des ondes gravitationnelles ?

    1. Bonjour et merci pour votre intérêt. A mon avis l’adéquation extraordinaire entre les prédictions théoriques sur la fusion de trous noirs et les données expérimentales obtenus depuis 2 ans par les détecteurs LIGO et maintenant VIRGO, loin de jeter une suspicion de nature zététique, prouve au contraire l’extrême qualité des simulations numériques (fondées sur une théorie, la RG, vérifiée aujourd’hui avec une précision de 10^(-15)) et l’avancée technologique majeure représentée par les détecteurs (fonctionnant tous sur le même principe). Par ailleurs, les masses de trous noirs impliquées qui ont pu surprendre certains ne remettent absolument pas en cause la théorie cosmologique. Les premières générations d’étoiles étaient plus massives que celles d’aujourd’hui (car elles étaient moins riches en éléments lourds), de sorte que l’effondrement des plus massives a parfaitement pu former des trous noirs de 30 ou 50 masses solaires (alors que les trous noirs stellaires plus récents dont on mesure la masse dans les sources X binaires atteignent à peine 15 masses solaires).

      1. Loin de moi l’idée d’émettre des réserves sur le sérieux de tous les acteurs de ces recherches extraordinaires !

        Vous avez partiellement répondu à mon questionnement et je vous en remercie (mais la certitude causale est décidément plus facile à atteindre formellement qu’expérimentalement ;-).

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