Astronomie

Quel est le seuil de détection des ondes gravitationnelles pour LIGO ?

Quel est le seuil de détection des ondes gravitationnelles pour LIGO ?

Puisque maintenant deux étoiles à neutrons ont été détectées fusionnant via des ondes gravitationnelles, je me demandais quel est le seuil de détection actuel que les détecteurs LIGO peuvent atteindre.

Considérant que les premiers objets observés étaient deux trous noirs avec une masse combinée de plus de 60 masses solaires et qu'ils détectaient maintenant deux étoiles à neutrons avec une masse combinée de seulement environ 3 masses solaires, je me demandais quel était le seuil que ces détecteurs peuvent réellement détecter .

De toute évidence, il existe des étoiles beaucoup plus grandes qui orbitent les unes autour des autres, mais leur taille et leur distance les unes par rapport aux autres rendent les ondes gravitationnelles trop difficiles à détecter. Alors, quelles masses et à quelles distances pouvons-nous nous attendre à être détectées à l'avenir ?


je crains que ce ne soit pas simple

L'amplitude du signal de contrainte d'onde gravitationnelle d'un binaire compact fusionnant (étoile à neutrons ou trou noir) est de $$h sim 10^{-22} left(frac{M}{2.8M_{odot}} ight )^{5/3}left(frac{0.01{ m s}}{P} ight)^{2/3}left(frac{100 { m Mpc}}{d} ight ),$$ où $M$ est la masse totale du système en masses solaires, $P$ est la période orbitale instantanée en secondes et $d$ est la distance en 100s de Mpc. $h sim 10^{-22}$ est un nombre raisonnable pour la sensibilité de LIGO à la déformation des ondes gravitationnelles où il est le plus sensible (à des fréquences de 30-300 Hz).

Vous pouvez donc voir que pour augmenter l'observabilité, vous pouvez augmenter la masse, diminuer la période ou diminuer la distance.

Mais voici les complications. LIGO n'est sensible qu'entre 30 et 300 Hz environ et les fréquences GW sont à deux reprises la fréquence orbitale. Ainsi, vous ne pouvez pas raccourcir la période à quelque chose de très petit car elle tomberait en dehors de la gamme de fréquences LIGO et vous ne pouvez pas non plus augmenter la masse à quelque chose de trop plus grand que les trous noirs qui ont déjà été vus car ils fusionnent avant d'atteindre une orbite suffisamment élevée. fréquences à voir. (La fréquence à la fusion est $propto M^{-1}$).

Une complication supplémentaire est que l'évolution des signaux est plus rapide à des masses plus faibles. C'est-à-dire que le taux de changement de fréquence et d'amplitude augmente rapidement avec la masse totale. C'est pourquoi la récente fusion d'étoiles à neutrons a été détectable pendant des centaines de secondes par LIGO, alors que les fusions de trous noirs plus massives n'ont pu être observées que pendant environ 1 seconde. Mais cela signifie que vous avez moins de cycles du signal du trou noir qui peuvent être "additionnés" pour améliorer le rapport signal/bruit, ce qui signifie que les sources de masse plus élevée sont moins détectable qu'une simple application de la formule que j'ai donnée ci-dessus ne le suggère. Une complication supplémentaire est qu'il existe un facteur géométrique dépendant de la façon dont la source et les détecteurs sont orientés l'un par rapport à l'autre.

OK, ce sont des complications, mais la formule peut toujours être utilisée comme approximation. Donc si on prend le signal GW170817, la masse totale était d'environ 2,8M$_{odot}$, la source était à 40 Mpc, donc à des fréquences de 200 Hz (correspondant à une période de 0,01 s) on aurait pu s'attendre à un signal de contrainte d'environ $3 imes 10^{-22}$. Cela a donné un signal très facilement détectable. Le document de découverte (Abbot et al. 2017) indique que "l'horizon" de détection était d'environ 218 Mpc pour LIGO-Livingston et 107 Mic pour LIGO-Hanford. Comme la source était beaucoup plus proche que ces chiffres, il n'est donc pas surprenant que la détection ait été forte.

En prenant la formule ci-dessus et une période orbitale fixe de 0,01 s, nous pouvons voir que la distance de l'horizon sera mise à l'échelle comme $sim M^{5/3}$. Ainsi, un binaire de trou noir de 10 M_{odot} + 10 M_{odot}$ pourrait être vu à 218 $ imes (20/2.8)^{5/3} = 5.7$ Gpc (ce sera une surestimation d'un facteur de quelques-uns en raison de la question de la rapidité d'évolution vers la fusion que j'ai évoquée plus haut).

Une discussion plus approfondie et technique peut être lue ici, bien que cela date de quelques années et que la portée de LIGO ait été étendue d'environ un facteur cinq depuis que ces calculs ont été effectués.


La figure 1 de cet article montre la distance de l'horizon (distance à laquelle un signal aérien polarisé circulairement serait détecté à SNR 8) pour des systèmes de masse plus importants jusqu'à une masse totale de 1000 masses solaires, en supposant une recherche avec des modèles de coalescence binaires compacts. Pour des masses plus élevées, l'amplitude du signal est généralement plus grande, mais ils fusionnent à des fréquences plus basses, de sorte que les signaux ont généralement une durée de vie plus courte dans la bande sensible des détecteurs. Comme ils sont plus courts, ils ressemblent aussi, malheureusement, beaucoup plus à des classes de problèmes instrumentaux, donc s'ils ne sont pas si forts (juste au-dessus d'un seuil d'environ SNR 8) le niveau de fond peut être important et conduire à une signification plus faible de tous les candidats.


Quel est le seuil de détection des ondes gravitationnelles pour LIGO ? - Astronomie

le Observatoire des ondes gravitationnelles par interféromètre laser (LIGO) est une expérience de physique à grande échelle et un observatoire conçus pour détecter les ondes gravitationnelles cosmiques et développer des observations d'ondes gravitationnelles en tant qu'outil astronomique. [1] Deux grands observatoires ont été construits aux États-Unis dans le but de détecter les ondes gravitationnelles par interférométrie laser. Ces observatoires utilisent des miroirs espacés de quatre kilomètres qui sont capables de détecter un changement de moins d'un dix millième du diamètre de charge d'un proton. [2]

Les premiers observatoires LIGO ont été financés par la National Science Foundation (NSF) et ont été conçus, construits et exploités par Caltech et le MIT. [3] [4] Ils ont collecté des données de 2002 à 2010, mais aucune onde gravitationnelle n'a été détectée.

Le projet Advanced LIGO visant à améliorer les détecteurs LIGO d'origine a débuté en 2008 et continue d'être soutenu par la NSF, avec d'importantes contributions du Science and Technology Facilities Council du Royaume-Uni, de la Max Planck Society of Germany et de l'Australian Research Council. [5] [6] Les détecteurs améliorés ont commencé à fonctionner en 2015. La détection des ondes gravitationnelles a été signalée en 2016 par la LIGO Scientific Collaboration (LSC) et la Virgo Collaboration avec la participation internationale de scientifiques de plusieurs universités et instituts de recherche. Les scientifiques impliqués dans le projet et l'analyse des données pour l'astronomie des ondes gravitationnelles sont organisés par le LSC, qui comprend plus de 1000 scientifiques dans le monde, [7] [8] [9] ainsi que 440 000 utilisateurs actifs d'[email protected] en date du Décembre 2016 [mise à jour] . [dix]

LIGO est le projet le plus grand et le plus ambitieux jamais financé par la NSF. [11] [12] En 2017, le prix Nobel de physique a été décerné à Rainer Weiss, Kip Thorne et Barry C. Barish "pour des contributions décisives au détecteur LIGO et à l'observation des ondes gravitationnelles". [13]

Les observations sont faites en "runs". En décembre 2019 [mise à jour] , LIGO avait effectué 3 essais et effectué 50 détections d'ondes gravitationnelles. La maintenance et les mises à niveau des détecteurs sont effectuées entre les analyses. Le premier essai, O1, qui s'est déroulé du 12 septembre 2015 au 19 janvier 2016, a effectué les 3 premières détections, toutes des fusions de trous noirs. Le deuxième essai, O2, qui s'est déroulé du 30 novembre 2016 au 25 août 2017, a effectué 8 détections, 7 fusions de trous noirs et la première fusion d'étoiles à neutrons. [14] La troisième manche, O3, a commencé le 1er avril 2019, elle est divisée (jusqu'à présent) en O3a, du 1er avril au 30 septembre 2019, et O3b, à partir du 1er novembre 2019 [15] jusqu'à ce qu'elle soit suspendue en mars 2020 en raison de au COVID-19. [16]


Qu'y a-t-il de si cool dans les ondes gravitationnelles ?

La première chose importante à propos de la détection directe des ondes gravitationnelles par LIGO est que cela s'est produit.

Mais d'abord, revenons un peu en arrière et parlons d'Albert Einstein. C'était un gars intelligent et il a découvert beaucoup de choses vraiment subtiles sur l'univers, y compris cet espace n'est pas une toile de fond fixe et rigide, comme une scène sur laquelle se déroulent des événements cosmiques. Au lieu de cela, Einstein a montré que l'espace est flexible et influencé par les objets et les événements qui s'y trouvent. Des objets très massifs créent des courbes dans l'espace, un peu comme une boule de bowling courbe un matelas lorsqu'elle est placée dessus.

(Einstein a également montré que l'espace et le temps sont intimement liés et qu'ils sont tous les deux des fils du tissu universel qu'il a appelé espace-temps. Nous allons passer sous silence cette relation par souci de concision.)

Alors qu'est-ce que cela a à voir avec les ondes gravitationnelles ? Si un objet massif peut courber l'espace-temps, alors le déplacement d'un objet massif peut créer des ondulations dans l'espace-temps. Pensez à un canot se déplaçant sur un lac, envoyant des ondulations à la surface de l'eau ou à un maillet frappant un tambour, créant des vibrations à la surface.

L'observatoire des ondes gravitationnelles par interféromètre laser, mieux connu sous le nom de LIGO, a été la première expérience à détecter directement ces ondulations dans l'espace-temps, c'est donc la première preuve physique directe qu'elles existent réellement. Sa première détection a eu lieu en septembre 2015, 100 ans après qu'Einstein ait prédit leur existence pour la première fois. Cela fait également 40 ans que les gens ont commencé à travailler sur les premières incantations de la technologie utilisée par LIGO pour détecter les ondes gravitationnelles.

Ces ondulations dans l'espace-temps confirment donc la théorie d'Einstein (bien qu'elle ait déjà été montrée assez hermétique). Les ondes gravitationnelles sont une illustration extrême de la relativité générale dans le passé, ces exemples extrêmes n'existaient que sur papier, dans le monde théorique. Les données peuvent toujours aider les scientifiques à en savoir plus sur l'univers, et si la théorie d'Einstein doit être ajustée (pour la rendre compatible avec la mécanique quantique, par exemple), il est possible que LIGO puisse trouver où. (Le directeur exécutif de LIGO a déclaré qu'il doutait que LIGO trouve ce genre de fissures ou perde des fins dans la théorie d'Einstein, mais c'est une possibilité.)


Un avenir radieux pour l'astronomie à ondes gravitationnelles

Aussi surréaliste que cela puisse paraître, la détection d'ondes gravitationnelles est désormais devenue monnaie courante, cinq ans seulement après la première détection en septembre 2015. Avec maintenant 50 détections d'ondes gravitationnelles, nous sommes mieux à même d'explorer la population de trous noirs et d'étoiles à neutrons à travers le univers (voir ce résumé). Des détections d'ondes gravitationnelles supplémentaires augmentent également notre compréhension de la théorie de la relativité générale (voir ce résumé).

L'avenir de l'astronomie des ondes gravitationnelles est de plus en plus prometteur après l'ajout de 39 événements des six premiers mois de la période d'observation O3. L'analyse de la deuxième portion d'O3 (appelée O3b) est actuellement en cours et élargira encore notre catalogue croissant de transitoires d'ondes gravitationnelles. Après O3, les détecteurs subiront des améliorations techniques supplémentaires pour augmenter encore la portée astrophysique à temps pour la quatrième période d'observation. En attendant des améliorations instrumentales et la construction de nouveaux détecteurs, la communauté des ondes gravitationnelles continuera d'explorer la nature des trous noirs et des étoiles à neutrons dans l'univers.


Observations

Traces de signal de la première détection d'ondes gravitationnelles confirmée. Des t-shirts ont été fabriqués pour célébrer la découverte, et cet auteur a la chance d'en avoir un.

La première détection directe d'ondes gravitationnelles a été réalisée le 14 septembre 2015, détectée par les deux observatoires LIGO à l'époque. Depuis lors, de nombreuses autres observations réussies ont été faites, la dernière série d'observations ayant enregistré 55 détections avant d'être réduite par COVID-19. L'existence d'ondes gravitationnelles confirmée par l'observation directe, des travaux se poursuivent pour mieux comprendre les phénomènes. Chaque détection provient d'un événement stellaire différent et met en lumière les processus physiques sous-jacents en jeu. La détection la plus importante à ce jour a eu lieu le 21 mai 2019, probablement en raison de la fusion de deux trous noirs. Les données sont comparées entre les deux observatoires LIGO, ainsi qu'une installation similaire en Italie du nom de VIRGO, pour aider à localiser la source de toutes les vagues observées.

Être capable de détecter les ondes gravitationnelles permet d'étudier des phénomènes difficiles d'accès avec l'astronomie optique ou électromagnétique traditionnelle.

Avant LIGO, nous ne savions pas vraiment combien de trous noirs binaires il y avait dans l'univers, vous ne pouvez pas vraiment les voir. Ce à quoi LIGO est sensible, c'est ce moment final où ils fusionnent… Nous faisons des trucs sympas avec la distribution de trous noirs binaires – ils pourraient être distribués de manière isotrope à travers l'univers, ou il pourrait y avoir plus de trous noirs dans certains systèmes.

À mesure que de plus en plus de mesures arrivent et que les théories physiques évoluent, les données collectées à partir du projet peuvent apporter de nouvelles informations sur la structure même de l'univers lui-même.

L'expérience LIGO est un excellent exemple du niveau de sophistication requis pour étudier les phénomènes à la pointe de la physique. Souvent, il y a un énorme décalage entre les théories proposées et les confirmations expérimentales réussies dans ce cas, un siècle s'est écoulé avant que les ondes gravitationnelles puissent être directement détectées. C'est un travail difficile de démêler les secrets de l'univers, mais comme toujours, les scientifiques sont prêts à relever le défi.


Astronomie

En plus des ondes gravitationnelles, on s'attend à ce qu'une puissante explosion de rayons gamma soit émise lorsque deux étoiles à neutrons binaires fusionnent. La détection d'un tel sursaut gamma coïncidant avec la détection des ondes gravitationnelles d'une inspirale confirmerait cette hypothèse.

Les binaires compacts inspirants constitués de trous noirs et/ou d'étoiles à neutrons sont l'une des sources les plus prometteuses de rayonnement gravitationnel pour la première génération de détecteurs d'ondes gravitationnelles, comme LIGO. Sur des échelles de temps de 10 7 ans, un système binaire compact perd de l'énergie en émettant des ondes gravitationnelles provoquant la spirale de ses composants. Au fur et à mesure que l'orbite se rétrécit, elle se circularise et la période diminue. Avec LIGO, nous recherchons les ondes gravitationnelles qui seraient émises durant les dernières dizaines de secondes de cette inspiratoire. Les étoiles orbitent des centaines de fois par seconde à des distances de plusieurs dizaines de kilomètres avant de plonger ensemble. La première génération de détecteurs peut observer des systèmes d'étoiles à neutrons binaires avec un rapport signal sur bruit raisonnable d'environ 20 Mpc, avec un taux estimé pouvant atteindre un tous les 1,5 ans, bien que le taux réel soit inconnu et pourrait être inférieur .

On pense que la coalescence des binaires d'étoiles à neutrons et de trous noirs (NS-BH) est le géniteur le plus prometteur des sursauts gamma courts et durs. La détection directe des ondes gravitationnelles associées à un GRB fournirait des preuves convaincantes de cette hypothèse, résolvant le mystère de longue date de l'origine du GRB court-dur. Les ondes gravitationnelles provenant de tels systèmes sont toutefois susceptibles d'être complexes. Le couplage du moment angulaire orbital d'un binaire NS-BH au spin du trou noir provoque la précession du binaire. La modulation résultante de la forme d'onde présente des défis importants pour la détection, augmentant la dimension de l'espace des paramètres de forme d'onde d'un ordre de grandeur.

Le LSC/Virgo Compact Binary Coalescence Group est chargé de rechercher les ondes gravitationnelles produites par les sources inspiratoires à l'aide de techniques de filtrage adapté. Les membres du groupe Syracuse collaborent avec d'autres membres du Compact Binary Coalescence Group pour développer, mettre en œuvre et utiliser des algorithmes pour filtrer le bruit des détecteurs d'ondes gravitationnelles pour les signaux inspiratoires, et pour étudier la relativité et l'astrophysique qui peuvent être obtenues à partir d'une détection. Nous sommes particulièrement intéressés par le développement de techniques de recherche pour les binaires en rotation décrits ci-dessus, ainsi que par la contribution aux recherches binaires d'étoiles à neutrons et de trous noirs binaires.


Des scientifiques revendiquent une détection sensationnelle des ondes gravitationnelles et annoncent une nouvelle ère en astronomie

L'observatoire d'ondes gravitationnelles de l'interféromètre laser à Hanford, Washington. Crédit : Caltech/MIT/LIGO Lab

Le 6 mai 1981, les physiciens Kip Thorne et Jeremiah Ostriker font un pari * . Si des ondes gravitationnelles extraterrestres étaient détectées avant le 1er janvier 2000, par au moins deux groupes expérimentaux, Thorne gagnerait le pari et une caisse de vin rouge. Sinon, alors Ostriker l'aurait. Il se trouve que Thorne aurait flairé la victoire si seulement ils avaient décidé d'attendre 16 ans de plus.

Lors d'une conférence de presse à Washington, DC le 11 février, une collaboration mondiale de scientifiques et d'ingénieurs a officiellement déclaré avoir détecté des ondes gravitationnelles, des ondulations d'énergie volant à travers le tissu de l'espace-temps.

« La première détection directe d'ondes gravitationnelles par la collaboration scientifique LIGO est une découverte époustouflante car elle ouvre une toute nouvelle fenêtre sur l'univers », a déclaré Abhay Ashtekar, directeur de l'Institute for Gravitational Physics and Geometry de la Pennsylvania State University. "Cela révélera des secrets des régions les plus éloignées de l'univers auxquels nous ne pouvons pas accéder par l'astronomie conventionnelle."

Outre une meilleure compréhension de l'évolution et de la fusion des étoiles à neutrons et des trous noirs, cette découverte permettra aux astronomes de les comparer aux prédictions de la théorie de la relativité générale d'Albert Einstein. En bref, de telles études aideront à déterminer si la théorie présente une image parfaite de la gravité. Il a été publié pour la première fois il y a 100 ans.

Au cours du mois précédant la déclaration, des rumeurs sur les détails de la détection avaient circulé et étaient souvent saluées comme « énormes » Martin Rees, l'astronome royal du Royaume-Uni, a écrit que ce serait le « point culminant scientifique de la décennie ». #8221. S'ils sont vérifiés par d'autres expériences à l'avenir - même si la collaboration revendique un résultat très fiable - le 11 février 2016, pourrait être le premier jour de l'ère de l'astronomie des ondes gravitationnelles.

Et l'heure à laquelle l'observation, désignée GW150914, a été faite était le 14 septembre 2015, 15 h 21 IST, par les deux observatoires à ondes gravitationnelles avancées à interféromètre laser (aLIGO) à Hanford, Washington, et Livingston, Louisiane. Les observatoires sont financés par la National Science Foundation des États-Unis. Leurs principes de travail sont basés sur des idées formulées par Thorne, Rainer Weiss et Ronald Drever dans les années 1980.

La gravité des objets massifs dans l'univers déforme l'espace-temps qui les entoure. Le mouvement des autres objets à proximité est influencé par cette déformation et ils la ressentent comme la force de gravité. Les travaux d'Einstein ainsi que d'un groupe d'autres mathématiciens et physiciens au début du 20e siècle ont aidé à élucider cette image du fonctionnement de la gravité.

Cependant, c'est la théorie de la relativité générale d'Einstein qui a prédit que lorsque des objets massifs accélèrent, ils déclenchent des perturbations dans l'espace-temps qui se propagent vers l'extérieur et dans tout l'univers. Ces perturbations sont les manifestations des objets perdant de l'énergie gravitationnelle, et l'énergie étant emportée sous forme d'ondes gravitationnelles. Lorsque les ondes se déplacent dans le continuum, elles déforment temporairement les distances dans les régions qu'elles traversent.

Le projet LIGO a été mis en place en 1992 pour détecter ces distorsions passagères, et mis à niveau vers un avatar « avancé » plus sensible, aLIGO, d'ici 2014. Chacun de ses observatoires a une conception commune : deux longs tunnels connectés à un sommet, en forme de 'L'. Une source au sommet envoie une impulsion laser dans chaque tunnel et attend qu'elle soit réfléchie par un miroir à la fin. Lorsque les impulsions se réunissent à nouveau, elles forment une figure d'interférence enregistrée par un détecteur. En l'absence d'onde gravitationnelle, l'interférence est totalement destructrice et le détecteur fait un blanc.

Lorsqu'une onde gravitationnelle traverse aLIGO, elle se contracte temporairement (et alternativement) et allonge légèrement la longueur des bras. En conséquence, l'une des impulsions laser finit par parcourir une distance plus longue que l'autre. Lorsqu'ils se réunissent à nouveau, une impulsion est légèrement décalée par rapport à l'autre et leur interférence n'est pas destructrice. Le détecteur loge une figure d'interférence. Selon l'annonce du 11 février, c'est ce qui s'est passé le 14 septembre 2015.

Une simulation de GW150914 par le groupe de relativité numérique du Georgia Institute of Technology.

Selon les données publiées, les ondes provenaient probablement d'une paire de trous noirs situés à 1,2-1,3 milliard d'années-lumière. Ils étaient en orbite l'un autour de l'autre, atteignant des vitesses d'environ 180 millions de mètres par seconde, et ont finalement fusionné pour former un plus grand trou noir. Alors qu'ils pesaient initialement 29 et 36 masses solaires, le monstre résultant pesait 62 masses solaires. Les 3 masses solaires restantes (équivalant à 178,7 milliards de milliards de milliards de milliards de milliards de joules d'énergie) ont été libérées sous forme d'ondes gravitationnelles lors de la fusion et de l'arrêt subséquent, lorsque la résultante s'installe pour former une forme stable. L'événement entier a duré quelques secondes, ce qui signifie - comme Thorne l'a compris lors de la conférence de presse - la puissance de sortie était 50 fois supérieure à celle de toutes les étoiles de l'univers réunies.

« La chose la plus cool pour moi est que le signal a été émis il y a environ 1,3 milliard d'années. À l'époque, il n'y avait pas de forme de vie majeure sur Terre. Le signal a voyagé pendant 1,3 milliard d'années et a traversé la Terre en moins d'une demi-seconde », a déclaré Karan Jani, doctorant au Georgia Institute of Technology et analyste de la collaboration LIGO.

Clifford Burgess, un physicien théoricien de l'Université McMaster à Hamilton, au Canada, avait divulgué un e-mail à ses étudiants – finalement diffusé sur Internet – avant l'annonce que les signaux enregistrés à aLIGO avaient une signification statistique de plus de 5 sigma. Cela signifie que les chances que la détection soit un faux signal étaient au plus de 1 sur 3,5 millions, suffisantes parmi les physiciens pour revendiquer une découverte.

Comme un résumé des résultats accompagnant l'annonce l'a noté, "Nous nous attendons à ce qu'un événement aussi fort que GW150914 n'apparaisse par hasard qu'une seule fois tous les 200 000 ans environ de telles données."

La détection a pris autant de temps qu'elle a été faite car, des quatre forces fondamentales de la nature, la gravité est de loin la plus faible. En conséquence, l'effet d'une onde gravitationnelle est également extrêmement faible et nécessite des instruments ultra-sensibles pour la détecter. Dans le même temps, tout détecteur d'ondes gravitationnelles doit être au moins aussi grand que la source de l'onde qu'il détecte.

Parce que deux trous noirs en orbite ne peuvent être séparés que de quelques kilomètres avant de se briser, les bras d'ALIGO ont une longueur de 4 km et sont maintenus avec un vide parfait. Les lasers et les détecteurs sont configurés pour détecter des changements dans la longueur de l'espace de l'ordre de 10 à 20 mètres, soit environ 10 000 fois plus petit que le noyau d'un atome d'hydrogène. Une telle sensibilité signifie que les détecteurs captent également beaucoup de bruit - provenant de véhicules se déplaçant à la surface à proximité, de perturbations sismiques mineures sous terre, de perturbations laissées par d'anciens événements cosmiques et d'autres activités qui, à peu près à d'autres fins, ne le feraient pas. 8217t être gênant.

Ainsi, même lorsqu'un authentique détection est faite, les scientifiques devront appliquer des techniques avancées de filtrage des données pour le repérer dans la mer de bruit enregistrée par les détecteurs. Satya Mohapatra, technicien au LIGO Lab du Massachusetts Institute of Technology de Boston, a expliqué que différents groupes au sein de la collaboration ont étudié « des milliers de canaux dans les instruments LIGO pour caractériser différentes sources de bruit qui pourraient affecter un potentiel signal d'onde gravitationnelle ». Des groupes supplémentaires ont également étudié à quoi ressembleraient les ondes gravitationnelles provenant de sources autres que les fusions de trous noirs afin de mieux les filtrer.

Source : LIGO/Institut de technologie de Géorgie

Mohapatra a poursuivi: "La forme exacte de l'onde gravitationnelle qui provient de la collision de deux trous noirs est restée insaisissable jusqu'en 2005, car la relativité générale est une théorie très non linéaire." Cette année-là, « la première simulation complète de la fusion de deux trous noirs a été démontrée par Frans Pretorius ». Pretorius est maintenant professeur de physique à l'Université de Princeton, New Jersey.

Mais ce n'était pas la fin de cette route. « Les trous noirs et les étoiles à neutrons ont aussi des spins. Ainsi, les formes des formes d'onde pour différentes combinaisons de masses et de spins n'ont pas toutes été simulées », a déclaré Mohapatra. L'annonce du 11 février était donc effectivement le résultat de grandes avancées en astrophysique numérique.

L'existence des ondes gravitationnelles était assurée depuis les années 1970, lorsque deux astronomes de l'Université du Massachusetts-Amherst ont découvert une paire d'étoiles à neutrons en orbite l'une autour de l'autre dont les orbites se rétrécissaient à un rythme prédit par les équations d'Einstein pour la relativité générale. Les astronomes allaient gagner le prix Nobel de physique 1993 pour avoir établi le lien que les étoiles à neutrons perdaient de l'énergie gravitationnelle - probablement en émettant des ondes gravitationnelles.

Ainsi, une grande partie de l'excitation n'est pas maintenant due au fait que les ondes ont finalement été directement détectées, mais parce que nous avons maintenant un instrument qui peut sonder plus profondément les sources mystérieuses des ondes elles-mêmes.

Par exemple, même si Einstein était satisfait de la façon dont sa théorie de la relativité générale semblait capable d'expliquer le comportement de la gravité dans l'univers, il n'était pas à l'aise avec l'une de ses conséquences directes : les trous noirs. La capacité de ces monstres de la nature à déformer l'espace-temps au point de plier le rayonnement électromagnétique en eux-mêmes a rendu très difficile leur étude à l'aide de télescopes qui « voient » en utilisant le rayonnement électromagnétique.

Zones possibles dans le ciel austral d'où pourraient provenir les ondes gravitationnelles de GW150914. Les couleurs représentent les intervalles de confiance, le violet représentant 90 % de chances que la fusion se produise dans le volume d'espace qu'il contient et le jaune, 50 %. Source : LIGO/Institut de technologie de Géorgie

D'autre part, les observatoires à ondes gravitationnelles « entendent » en utilisant la nature de la gravité, qui « se connecte à tout et ne peut pas être masquée », selon Ghanashyam Date, professeur à l'Institut des sciences mathématiques de Chennai. Et la configuration de détecteurs comme aLIGO pour mieux détecter et étudier les ondes ouvre une nouvelle façon d'étudier le cosmos. Comme l'a déclaré David Reitze, directeur exécutif du LIGO Laboratory, California Institute of Technology, lors de la conférence de presse : « C'est la première fois que l'univers nous parle – par le biais d'ondes gravitationnelles. »

D'une part, la relativité générale prédit que les ondes gravitationnelles devraient se déclencher à la vitesse de la lumière, ce qui signifie que les particules supposées transportant de l'énergie gravitationnelle – les gravitons – ne devraient avoir aucune masse. Les ondes de GW150914 sont arrivées aux détecteurs de Louisiane et de Washington à environ sept millièmes de seconde d'intervalle, ce qui correspond au temps que prendrait la lumière pour parcourir la même distance.

Cependant, s'il est détecté que les ondes traversent plus lentement à l'avenir, les physiciens théoriciens devront retourner à la planche à dessin proverbiale pour de nouvelles idées sur la gravité particulaire.

Dans un autre cas, étant donné la sensibilité aux ondes gravitationnelles de la génération actuelle de LIGO, les astronomes peuvent également mesurer le nombre de trous noirs de masses différentes et la fréquence à laquelle ils sont impliqués dans des événements intenses tels que des fusions. « On pensait que les trous noirs en astrophysique appartenaient à deux classes extrêmes : les trous noirs stellaires pesant moins de 20 masses solaires et ceux au centre des galaxies pesant des millions à des milliards de masses solaires », a déclaré Jani. Il existe également des preuves circonstancielles de ces trous noirs provenant des télescopes conventionnels – ce qui a rendu la détection actuelle plus improbable.

"Nous n'avions tout simplement pas de limites astrophysiques fortes pour savoir si des trous noirs de telles masses peuvent exister dans l'univers", a expliqué Jani. Ils pèsent entre 50 et 10 000 masses solaires et n'ont pas été beaucoup étudiés avec des télescopes. Mais chez LIGO, ils génèrent les signaux « les plus forts ». "Avec [cette découverte] de trous noirs juste plus légers que la masse intermédiaire, nous avons maintenant une gamme lisse de masses possibles pour les trous noirs dans l'univers", a déclaré Jani.

Il existe actuellement cinq observatoires d'ondes gravitationnelles : deux aux États-Unis et un en Italie (Virgo), en Allemagne (GEO600) et au Japon (KAGRA). L'observatoire japonais a une technique de détection différente. Pendant ce temps, les observatoires américain et allemand forment un réseau d'observatoires aveugle à quelques centaines de degrés du ciel. C'est-à-dire que le réseau ne sera pas en mesure de localiser la source des ondes gravitationnelles de cette partie du ciel.

Emplacements des détecteurs d'ondes gravitationnelles existants et à quelle distance serait un LIGO en Inde. Source : LIGO

Comme Jani l'a expliqué dans le contexte de GW150914, qui a été enregistré par les deux observatoires américains : les ondes gravitationnelles que nous avons observées provenaient de 1,2 milliard d'années-lumière. Sur la base de la masse des deux trous noirs, chacun près de 30 fois la masse du Soleil, ils doivent avoir été formés par l'évolution d'étoiles très lourdes. Cela implique que les trous noirs doivent résider dans une galaxie hôte, mais il est difficile de les localiser.

De nombreuses améliorations ont été proposées pour que le réseau aLIGO s'améliore dans ce sens. L'une est l'antenne spatiale de l'interféromètre laser évolué (ELISA), comprenant trois engins spatiaux en orbite autour du Soleil dans un triangle équilatéral. En raison des distances qui les séparent, ELISA sera capable de rechercher des ondes gravitationnelles provenant de très grosses sources. Avant son lancement en 2034, une mission de test appelée LISA Pathfinder a été lancée le 3 décembre 2015.

L'autre est un aLIGO en Inde. Selon Tarun Souradeep, du Centre interuniversitaire d'astronomie et d'astrophysique de Pune, son emplacement réduirait l'angle mort du réseau aLIGO d'un ordre de grandeur. Le projet, d'une valeur d'environ 1 500 crores de roupies, est financé par le ministère de l'Énergie atomique et a reçu l'autorisation de l'ancienne Commission de planification dans son 12e plan quinquennal. Pour le moment, il attend l'autorisation du Cabinet de l'Union.

En attendant, en attendant de futurs tests confirmant la détection, l'annonce d'aLIGO est incontestablement un moment Nobel. Ce qui est discutable, c'est qui l'éventuel prix Nobel finira par négliger. La collaboration scientifique LIGO implique plus de 1 000 scientifiques de 19 pays, avec plus de 250 instituts de recherche impliqués dans le développement de technologies et l'analyse des résultats. Les observatoires sont exploités par le Massachusetts Institute of Technology de Boston et le California Institute of Technology.


Les scientifiques effectuent la première détection directe des ondes gravitationnelles

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Almost 100 years ago today, Albert Einstein predicted the existence of gravitational waves — ripples in the fabric of space-time that are set off by extremely violent, cosmic cataclysms in the early universe. With his knowledge of the universe and the technology available in 1916, Einstein assumed that such ripples would be “vanishingly small” and nearly impossible to detect. The astronomical discoveries and technological advances over the past century have changed those prospects.

Now for the first time, scientists in the LIGO Scientific Collaboration — with a prominent role played by researchers at MIT and Caltech — have directly observed the ripples of gravitational waves in an instrument on Earth. In so doing, they have again dramatically confirmed Einstein’s theory of general relativity and opened up a new way in which to view the universe.

But there’s more: The scientists have also decoded the gravitational wave signal and determined its source. According to their calculations, the gravitational wave is the product of a collision between two massive black holes, 1.3 billion light years away — a remarkably extreme event that has not been observed until now.

The researchers detected the signal with the Laser Interferometer Gravitational-wave Observatory (LIGO) — twin detectors carefully constructed to detect incredibly tiny vibrations from passing gravitational waves. Once the researchers obtained a gravitational signal, they converted it into audio waves and listened to the sound of two black holes spiraling together, then merging into a larger single black hole.

“We’re actually hearing them go thump in the night,” says Matthew Evans, an assistant professor of physics at MIT. “We’re getting a signal which arrives at Earth, and we can put it on a speaker, and we can hear these black holes go, ‘Whoop.’ There’s a very visceral connection to this observation. You’re really listening to these things which before were somehow fantastic.”

By further analyzing the gravitational signal, the team was able to trace the final milliseconds before the black holes collided. They determined that the black holes, 30 times as massive as our sun, circled each other at close to the speed of light before fusing in a collision and giving off an enormous amount of energy equivalent to about three solar masses — according to Einstein’s equation E=mc 2 — in the form of gravitational waves.

“Most of that energy is released in just a few tenths of a second,” says Peter Fritschel, LIGO’s chief detector scientist and a senior research scientist at MIT’s Kavli Institute for Astrophysics and Space Research. “For a very short amount of time, the actual power in gravitational waves was higher than all the light in the visible universe.”

These waves then rippled through the universe, effectively warping the fabric of space-time, before passing through Earth more than a billion years later as faint traces of their former, violent origins.

“It’s a spectacular signal,” says Rainer Weiss, a professor emeritus of physics at MIT. “It’s a signal many of us have wanted to observe since the time LIGO was proposed. It shows the dynamics of objects in the strongest gravitational fields imaginable, a domain where Newton’s gravity doesn’t work at all, and one needs the fully non-linear Einstein field equations to explain the phenomena. The triumph is that the waveform we measure is very well-represented by solutions of these equations. Einstein is right in a regime where his theory has never been tested before.”

The new results are published today in the journal Physical Review Letters.

“Magnificently in alignment”

The first evidence for gravitational waves came in 1974, when physicists Russell Hulse and Joseph Taylor discovered a pair of neutron stars, 21,000 light years from Earth, that seemed to behave in a curious pattern. They deduced that the stars were orbiting each other in such a way that they must be losing energy in the form of gravitational waves — a detection that earned the researchers the Nobel Prize in physics in 1993.

Now LIGO has made the first direct observation of gravitational waves with an instrument on Earth. The researchers detected the gravitational waves on September 14, 2015, at 5:51 a.m. EDT, using the twin LIGO interferometers, located in Livingston, Louisiana and Hanford, Washington.

Each L-shaped interferometer spans 4 kilometers in length and uses laser light split into two beams that travel back and forth through each arm, bouncing between precisely configured mirrors. Each beam monitors the distance between these mirrors, which, according to Einstein’s theory, will change infinitesimally when a gravitational wave passes by the instrument.

“You can almost visualize it as if you dropped a rock on the surface of a pond, and the ripple goes out,” says Nergis Malvalvala, the Curtis and Kathleen Marble Professor of Astrophysics at MIT. “[It’s] something that distorts the space time around it, and that distortion propagates outward and reaches us on Earth, hundreds of millions of years later.”

Last March, researchers completed major upgrades to the interferometers, known as Advanced LIGO, increasing the instruments’ sensitivity and enabling them to detect a change in the length of each arm, smaller than one-ten-thousandth the diameter of a proton. By September, they were ready to start observing with them.

“The effect we’re measuring on Earth is equivalent to measuring the distance to the closest star, Alpha Centauri, to within a few microns,” Evans says. “It’s a very tough measurement to make. Einstein expected this to never have been pulled off.”

Nevertheless, a signal came through. Using Einstein’s equations, the team analyzed the signal and determined that it originated from a collision between two massive black holes.

“We thought it was going to be a huge challenge to prove to ourselves and others that the first few signals that we saw were not just flukes and random noise,” says David Shoemaker, director of the MIT LIGO Laboratory. “But nature was just unbelievably kind in delivering to us a signal that’s very large, extremely easy to understand, and absolutely, magnificently in alignment with Einstein’s theory.”

For LIGO’s hundreds of scientists, this new detection of gravitational waves marks not only a culmination of a decades-long search, but also the beginning of a new way to look at the universe.

“This really opens up a whole new area for astrophysics,” Evans says. “We always look to the sky with telescopes and look for electromagnetic radiation like light, radio waves, or X-rays. Now gravitational waves are a completely new way in which we can get to know the universe around us.”

Tiny detection, massive payoff

LIGO research is carried out by the LIGO Scientific Collaboration (LSC), a group of some 950 scientists at universities around the United States, including MIT, and in 15 other countries. The LIGO Observatories are operated by MIT and Caltech. The instruments were first explored as a means to detect gravitational waves in the 1970s by Weiss, who along with Kip Thorne and Ronald Drever from Caltech proposed LIGO in the 1980s.

“This has been 20 years of work, and for some of us, even more,” Evans says. “It’s been a long time working on these detectors, without seeing anything. So it’s a real sea change and an interesting psychological change for the whole collaboration.”

“The project represents a triumph for federally funded research,” says Maria Zuber, vice president for research and E. A. Griswold Professor of Geophysics at MIT. “LIGO is an example of a high-risk, high-return investment in discovery-driven science. In this case the investment was major and sustained over many years, with a successful outcome far from assured. But the scientific payoff is shaping up to be extraordinary. While the discoveries reported here are already magnificent, they represent the tip of the iceberg of what will be learned about fundamental physics and the nature of the universe.”

The LIGO Observatories are due for more upgrades in the near future. Currently, the instruments are performing at one-third of their projected sensitivity. Once they are fully optimized, Shoemaker predicts that scientists will be able to detect gravitational waves emanating “from the edge of the universe.”

“In a few years, when this is fully commissioned, we should be seeing events from a whole variety of objects: black holes, neutron stars, supernova, as well as things we haven’t imagined yet, on the frequency of once a day or once a week, depending on how many surprises are out there.” Shoemaker says. “That’s our dream, and so far we don’t have any reason to know that that’s not true.”

As for this new gravitational signal, Weiss, who first came up with the rudimentary design for LIGO in the 1970s as part of an experimental exercise for one of his MIT courses, sees the tiny detection as a massive payoff.

“This is the first real evidence that we’ve seen now of high-gravitational field strengths: monstrous things like stars, moving at the velocity of light, smashing into each other and making the geometry of space-time turn into some sort of washing machine,” Weiss says. “And this horrendously strong thing made a very tiny effect in our apparatus, a relative motion of 10 to the minus 18 meters between the mirrors in the interferometer arms. It’s sort of unbelievable to think about.”