Astronomie

Qu'est-ce qui a causé les ondes gravitationnelles détectées par LIGO ?

Qu'est-ce qui a causé les ondes gravitationnelles détectées par LIGO ?

Je comprends que lors d'une découverte récente, des ondes gravitationnelles ont été détectées. Mais sachant que l'espace-temps n'est pas statique, il change probablement constamment en de nombreux endroits de l'univers en raison des changements de distribution des corps massifs. Par exemple, l'onde détectée pourrait-elle simplement être une légère oscillation de la gravité due au passage de Jupiter, ou de la lune, ou quelque chose de similaire ?


Ce ne pouvait pas être Jupiter ou la lune parce que

  1. La fréquence des ondes détectées est trop rapide. Le détecteur a trouvé quelque chose qui a tourné plusieurs centaines de fois par seconde, puis s'est arrêté.

  2. L'amplitude est trop grande. Même si Jupiter est proche, les ondes gravitationnelles qu'il produit sur son orbite sont extraordinairement faibles. Beaucoup trop faible pour que nous puissions les détecter (bonne chose aussi, car s'il produisait un puissant rayonnement gravitationnel, il commencerait à se diriger vers le soleil)

Nous savons une chose qui peut produire un pépiement de cette fréquence et de cette amplitude, et c'est une fusion de trous noirs. Dans les derniers instants avant de fusionner, ces deux trous noirs ont converti environ trois masses solaires en rayonnement gravitationnel : c'est une quantité colossale d'énergie. Environ $$500,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000$$Joules. C'est pourquoi pendant un instant ce fut le point le plus "brillant" du ciel gravitationnel

(Remarque. Le formulaire standard est pour les mauviettes)


Le signal trouvé était quasi-périodique, avec une fréquence augmentant rapidement - caractéristique d'un système binaire fusionné (un "chirp").

La fréquence caractéristique des GW d'un système "binaire" est à deux fois la période orbitale. Ainsi, la fréquence « émise » par le système Jupiter-Soleil serait beaucoup trop basse pour être détectée par LIGO, qui est sensible jusqu'à environ 10 Hz (c'est-à-dire des périodes orbitales de 0,2 s ou moins).

Ces types de périodes ne se trouvent que dans les binaires impliquant des trous noirs de la taille d'étoiles et des étoiles à neutrons juste avant leur fusion.

La chose intéressante à propos de la puissance produite par un binaire, c'est qu'elle va en masse à la puissance 5. Un autre point est que nous détectons l'amplitude de l'onde, qui ne tombe que comme l'inverse de la distance à la source.

Ainsi, LIGO est le plus susceptible de voir la fusion des systèmes de trous noirs les plus rares et les plus massifs à de très grandes distances.


L'État de l'Oregon mène un effort de 17 millions de dollars pour comprendre l'univers via des ondes gravitationnelles à basse fréquence

CORVALLIS, Oregon - L'Oregon State University est l'institution principale d'un centre de 17 millions de dollars de la National Science Foundation consacré à repousser les limites de la connaissance de la physique en étudiant l'univers à travers des ondes gravitationnelles à basse fréquence, des ondulations dans le tissu de l'espace-temps.

Financé par la NSF en tant que Physics Frontiers Center, le North American Nanohertz Observatory for Gravitational Waves, ou NANOGrav, le groupe de recherche de l'OSU opère sous la direction de Xavier Siemens, professeur de physique à l'OSU College of Science.

Siemens, qui a rejoint la faculté de l'État de l'Oregon en 2019, dirigeait auparavant le NANOGrav Physics Frontier Center de l'Université du Wisconsin-Milwaukee, où il a été lancé en 2015 avec un prix de 14,5 millions de dollars de la NSF.

La nouvelle subvention de cinq ans est un renouvellement co-dirigé par Siemens et Maura McLaughlin, astronome à la West Virginia University. Il aidera à financer une collaboration d'environ 200 chercheurs en astrophysique dans 18 universités, dont Davide Lazzati de l'OSU et environ 20 étudiants diplômés et de premier cycle de l'Oregon State. OSU recevra environ 600 000 $ par an, a déclaré Siemens.

Les ondes gravitationnelles ont été observées pour la première fois directement, par le Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory, en septembre 2015, un événement marquant en physique et en astronomie qui a confirmé l'une des principales prédictions de la théorie de la relativité générale d'Albert Einstein en 1915.

Les chercheurs ont détecté ces ondes gravitationnelles, produites par la collision de deux trous noirs, en utilisant les interféromètres jumeaux LIGO à Livingston, Louisiane, et Hanford, Washington. Les ondes gravitationnelles détectées par LIGO, créées par ces types de "binaires de trous noirs", ont des fréquences d'environ 100 hertz, ou 100 cycles par seconde, a déclaré Siemens. LIGO est une collaboration internationale financée par la NSF.

"Nous recherchons des ondes gravitationnelles avec des fréquences 11 ordres de grandeur inférieures à celles détectées par LIGO", a-t-il déclaré. “Nous utilisons, à la place des lasers et des miroirs au bout des tubes à vide, des pulsars radio et des radiotélescopes. Nous pouvons utiliser ces pulsars comme des horloges réparties dans le ciel, et nous pouvons voir comment le tic-tac des horloges change à partir des ondes gravitationnelles traversant notre galaxie.”

Les pulsars font tourner rapidement les restes d'étoiles massives qui ont explosé en supernova, et ils envoient des impulsions d'ondes radio avec une extrême régularité.

NANOGrav recherchera des signaux d'ondes gravitationnelles avec le télescope Green Bank en Virginie-Occidentale, le Very Large Array au Nouveau-Mexique et l'expérience canadienne de cartographie de l'intensité de l'hydrogène au Canada.

Siemens explique que l'utilisation d'un PTA pour détecter un "chorus" de signaux d'ondes gravitationnelles provenant de plusieurs fusions de trous noirs super-massifs "décrit comme un arrière-plan stochastique d'ondes gravitationnelles" est plus prometteuse pour comprendre l'univers que la détection d'un onde unique d'une seule collision binaire de trou noir.

"Chaque signal est comme une note, et nous ne sommes pas juste après l'une de ces notes, nous voulons entendre tout le chœur", a-t-il déclaré. « Nous voulons entendre le refrain collectif de tous les binaires de trous noirs super-massifs qui fusionnent dans l'univers. »

Les trous noirs super-massifs sont le plus gros type de trous noirs, des millions à des milliards de fois la masse du soleil, et ils se trouvent au centre des galaxies.

"Nous avons peut-être déjà vu les premiers indices d'un signal d'onde gravitationnelle", a déclaré Siemens. “Ce centre veillera à ce que les chercheurs disposent des ressources nécessaires pour explorer l'une des frontières les plus passionnantes de la physique et de l'astronomie.”

L'État de l'Oregon est l'une des 11 institutions à accueillir un NSF Physics Frontiers Center et l'une des trois de la Pacific 12 Conference, les deux autres écoles Pac-12 sont l'Université de Californie, Berkeley et l'Université du Colorado. L'Université de Rochester Princeton University, l'Université de l'Illinois Rice University Massachusetts Institute of Technology Caltech Michigan State et l'Université du Maryland complètent la liste des sites frontières de la physique.

Les autres domaines de recherche des centres vont de la physique biologique théorique et de la physique des cellules vivantes à l'information quantique et à l'astrophysique nucléaire.


LIGO et Virgo annoncent de nouvelles détections dans un catalogue mis à jour

Décompte cumulatif des événements d'ondes gravitationnelles détectés par LIGO/Virgo, divisé par la course d'observation. O1 a produit 3 détections, O2 a produit 8 détections et seulement la première moitié de O3 a produit 39 détections ! Collectivement, les 2,5 passages d'observation représentés ici ont couvert près de 600 jours depuis septembre 2015, bien que certains jours au cours des passages, aucun détecteur ne fonctionnait en raison de la maintenance ou de facteurs environnementaux. (Cliquez pour agrandir l'image).

Après plusieurs mois d'analyse approfondie, la collaboration scientifique LIGO et la collaboration Virgo ont publié un catalogue mis à jour des détections d'ondes gravitationnelles, GWTC-2. Le catalogue contient 50 détections d'ondes gravitationnelles, dont 39 nouveaux signaux de collisions de trous noirs ou d'étoiles à neutrons détectés dans la première moitié de la troisième période d'observation LIGO/Virgo, O3a, qui s'est déroulée du 1er avril au 1er octobre 2019. O3a& Les contributions du #39 au catalogue ont plus que triplé le nombre de détections confirmées (les deux premiers passages d'observation combinés ont donné 11 détections, qui ont été incluses dans le premier catalogue, GWTC-1). Le nouvel ensemble comprend certains des systèmes les plus intéressants que nous ayons vus jusqu'à présent et permet de nouvelles études qualitatives des populations astrophysiques et de la physique fondamentale.

La forte augmentation du nombre de détections a été rendue possible par des améliorations significatives des instruments par rapport aux périodes d'observation précédentes. Ceux-ci comprenaient une puissance laser accrue, des miroirs améliorés et, remarquablement, l'utilisation de la technologie de compression quantique. Dans l'ensemble, ces améliorations ont donné lieu à une

60 % d'amélioration de la plage à laquelle les signaux peuvent être détectés par rapport à la plage atteinte lors de l'essai d'observation précédent, O2.

Les détecteurs ont également pu fonctionner sans interruption pendant des périodes plus longues que par le passé, augmentant les possibilités de capter les signaux d'ondes gravitationnelles. Nous utilisons une statistique appelée "duty cycle" pour décrire ces temps. Le cycle d'utilisation de la Vierge était de 76%, ce qui signifie qu'il fonctionnait 76% du temps entre le 1er avril et le 1er octobre. Les détecteurs LIGO Hanford et Livingston ont atteint des cycles d'utilisation de 71% et 76% respectivement. Tous trois fonctionnaient simultanément pendant 44,5 % du temps, tandis que pendant près de 82 % du temps, il y avait deux détecteurs fonctionnant à l'unisson. Ce sont des exploits remarquables compte tenu de la complexité des instruments et de leur vulnérabilité aux conditions environnementales et sismiques.

Avec tous ces nouveaux signaux, nous pouvons commencer à mieux comprendre les populations de trous noirs et d'étoiles à neutrons qui existent dans le grand univers. En analysant simultanément toute la population de fusions de trous noirs binaires, nous pouvons maximiser les informations astrophysiques que nous extrayons. Nous en déduisons que la distribution des masses des trous noirs ne suit pas une simple loi de puissance. La mesure des écarts par rapport à cette loi de puissance nous permettra d'en savoir plus sur la formation de ces trous noirs, qu'ils proviennent de morts stellaires ou de collisions précédentes de trous noirs plus petits. En considérant l'ensemble de la population, nous pouvons également étudier des propriétés difficiles à mesurer telles que le spin du trou noir. Dans ce catalogue, nous constatons que certains trous noirs en fusion ont des spins mal alignés avec leur moment angulaire orbital, ce qui soulève des questions sur la façon dont ils se sont formés. Cette découverte et d'autres observations nous permettront de sonder les régimes dans lesquels ces binaires se sont formés.

Nous pouvons également utiliser les nombreux signaux du catalogue mis à jour pour mettre la théorie de la gravité d'Einstein (relativité générale) à l'épreuve de manière plus complète et meilleure qu'auparavant. Cela a été fait en comparant les données aux prédictions de la théorie et en limitant les écarts possibles. Les résultats de signaux multiples ont été combinés à l'aide de nouvelles méthodes statistiques pour obtenir les contraintes les plus strictes à ce jour sur les propriétés de la gravité dans le régime fort et hautement dynamique des fusions de trous noirs. Avec le nouveau catalogue, LIGO et Virgo ont également pu étudier directement les propriétés des objets restants produits lors des fusions : en mesurant les vibrations de ces objets, et en excluant les échos potentiels après les signaux principaux, LIGO et Virgo ont confirmé que le les restes se sont comportés comme on s'y attend des trous noirs dans la théorie d'Einstein.

Les 39 nouvelles détections signalées dans le nouveau catalogue ne correspondent qu'aux six premiers mois de la troisième période d'observation de LIGO et de Virgo&rsquos. Les résultats des cinq derniers mois d'O3 sont en cours d'analyse. En attendant, les instruments LIGO et Virgo sont en cours de mise à niveau pour préparer la quatrième campagne d'observation (prévue pour débuter mi-2022), qui comprendra également le détecteur KAGRA au Japon. D'autres découvertes passionnantes se profilent à l'horizon !

Lecture supplémentaire

  1. Un résumé scientifique de l'intégralité de l'article du catalogue GWTC-2 est disponible ici : https://www.ligo.org/science/Publication-O3aCatalog/index.php
  2. Plus de détails sur le premier catalogue de transitoires d'ondes gravitationnelles LIGO/Virgo (GWTC-1) peuvent être trouvés dans ces deux articles : GWTC-1: A Gravitational-Wave Transient Catalog of Compact Binary Mergers Observed by LIGO and Virgo during the First and Second Observing Runs et propriétés binaires de la population de trous noirs déduites des premier et deuxième cycles d'observation de Advanced LIGO et Advanced Virgo (animation par SXS Collaboration)

Max Isi est chercheur postdoctoral Einstein de la NASA au MIT. Il s'intéresse à l'utilisation des signaux d'ondes gravitationnelles pour sonder la relativité générale d'Einstein et en apprendre davantage sur la physique fondamentale en général.

Colm Talbot est chercheur postdoctoral à Caltech et étudie l'astronomie des ondes gravitationnelles, l'inférence astrophysique et l'astrostatistique computationnelle.


Les scientifiques de LIGO-Virgo détectent les premières ondes gravitationnelles des étoiles à neutrons

BATON ROUGE - Pour la première fois, des scientifiques ont détecté directement des ondes gravitationnelles - des ondulations dans l'espace et le temps - en plus de la lumière provenant de la collision spectaculaire de deux étoiles à neutrons. C'est la première fois qu'un événement cosmique est observé à la fois dans les ondes gravitationnelles et dans la lumière.

La découverte a été faite à l'aide du Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory, basé aux États-Unis, ou du LIGO, du détecteur Virgo basé en Europe et de quelque 70 observatoires terrestres et spatiaux.

Les étoiles à neutrons sont les étoiles les plus petites et les plus denses connues et se forment lorsque des étoiles massives explosent en supernova. Au fur et à mesure que ces étoiles à neutrons tournaient en spirale, elles ont émis des ondes gravitationnelles qui étaient détectables pendant environ 100 secondes lorsqu'elles sont entrées en collision, un éclair de lumière sous forme de rayons gamma a été émis et vu sur Terre environ deux secondes après les ondes gravitationnelles. Dans les jours et les semaines qui ont suivi le smashup, d'autres formes de lumière ou de rayonnement électromagnétique - y compris les ondes X, ultraviolettes, optiques, infrarouges et radio - ont été détectées.

"Cette première observation d'ondes gravitationnelles causées par la collision de deux neutrons n'est pas seulement une percée pour la collaboration scientifique LIGO-Virgo qui a détecté cela, mais aussi pour nos collègues qui étudient les étoiles à neutrons, les flashs de rayons gamma et d'autres phénomènes astronomiques", a déclaré Gabriela González, professeure au département de physique et d'astronomie de LSU et ancienne porte-parole de la collaboration scientifique LIGO.

Il y a environ 130 millions d'années, les deux étoiles à neutrons étaient dans leurs derniers instants de mise en orbite, séparées seulement d'environ 300 kilomètres, ou 200 miles, prenant de la vitesse tout en réduisant la distance entre elles. Au fur et à mesure que les étoiles se rapprochaient en spirale, elles ont étiré et déformé l'espace-temps environnant, dégageant de l'énergie sous la forme de puissantes ondes gravitationnelles, avant de s'écraser les unes contre les autres.

Au moment de la collision, la majeure partie des deux étoiles à neutrons a fusionné en un seul objet ultradense, émettant une « boule de feu » de rayons gamma. Les mesures initiales des rayons gamma, combinées à la détection des ondes gravitationnelles, confirment également la théorie de la relativité générale d'Einstein, qui prédit que les ondes gravitationnelles devraient se déplacer à la vitesse de la lumière.

« Les rayons gamma sont les contreparties électromagnétiques à haute énergie des découvertes LIGO. Des collaborateurs du monde entier, y compris des chercheurs de LSU utilisant un télescope sur la Station spatiale internationale, recherchent avec impatience ces événements. Maintenant, les observations homologues de cet événement de fusion d'étoiles à neutrons avec plusieurs télescopes de la radio au régime des rayons gamma nous donnent des informations précieuses sur la nature de ces sources astrophysiques exotiques », a déclaré Michael Cherry, professeur et collaborateur du département de physique et d'astronomie du LSU. sur l'expérience CALET sur la Station spatiale internationale.

Les théoriciens ont prédit que ce qui suit la boule de feu initiale est une « kilonova » - un phénomène par lequel le matériau qui reste de la collision d'étoiles à neutrons, qui brille de lumière, est soufflé hors de la région immédiate et loin dans l'espace. Les nouvelles observations basées sur la lumière montrent que des éléments lourds, tels que le plomb et l'or, sont créés lors de ces collisions et ensuite distribués dans tout l'univers, résolvant un mystère de plusieurs décennies selon lequel environ la moitié de tous les éléments plus lourds que le fer sont produits.

Les résultats de LIGO-Virgo sont publiés dans la revue Physical Review Letters. Des articles supplémentaires des collaborations LIGO et Virgo et de la communauté astronomique ont été soumis ou acceptés pour publication dans diverses revues.

« C'est extrêmement excitant de vivre un événement rare qui transforme notre compréhension du fonctionnement de l'univers », a déclaré France A. Córdova, directrice de la National Science Foundation, ou NSF, qui finance LIGO. "Cette découverte réalise un objectif de longue date que beaucoup d'entre nous ont, à savoir observer simultanément des événements cosmiques rares en utilisant à la fois des observatoires traditionnels et des ondes gravitationnelles. Ce n'est que grâce aux quatre décennies d'investissement de la NSF dans les observatoires d'ondes gravitationnelles, couplés à des télescopes qui observent des longueurs d'onde radio aux rayons gamma, que nous sommes en mesure d'élargir nos possibilités de détecter de nouveaux phénomènes cosmiques et de reconstituer un nouveau récit de la physique des étoiles dans leur agonie.

Un signe stellaire

Le signal gravitationnel, nommé GW170817, a été détecté pour la première fois le 17 août à 7 h 47, heure avancée du Centre, la détection a été effectuée par les deux détecteurs LIGO identiques, situés à Hanford, Washington, et Livingston, Louisiane. L'observatoire LIGO Livingston est situé sur la propriété de LSU, et les professeurs, les étudiants et le personnel de recherche de LSU sont des contributeurs majeurs à la collaboration scientifique internationale.

Les informations fournies par le troisième détecteur, Virgo, situé près de Pise, en Italie, ont permis d'améliorer la localisation de l'événement cosmique. À l'époque, LIGO approchait de la fin de sa deuxième série d'observations depuis sa mise à niveau dans un programme appelé Advanced LIGO, tandis que Virgo avait commencé sa première série après avoir récemment terminé une mise à niveau connue sous le nom de Advanced Virgo.

Chaque observatoire est constitué de deux longs tunnels disposés en forme de « L », à la jonction desquels un faisceau laser est scindé en deux. La lumière est envoyée le long de chaque tunnel, puis réfléchie dans la direction d'où elle vient par un miroir suspendu. En l'absence d'ondes gravitationnelles, la lumière laser dans chaque tunnel devrait retourner à l'endroit où les faisceaux ont été divisés précisément au même moment. Si une onde gravitationnelle traverse l'observatoire, elle modifiera l'heure d'arrivée de chaque faisceau laser, créant un changement presque imperceptible dans le signal de sortie de l'observatoire.

« Le personnel de l'observatoire LIGO Livingston, ainsi que des étudiants et des universitaires en résidence, dont de nombreux membres de LSU, ont travaillé dur pendant de nombreuses années pour faire fonctionner et améliorer le détecteur, le rendant capable de participer à cette découverte », a déclaré Joe Giaime, directeur du LIGO Livingston et professeur LSU de physique et d'astronomie. "Les ondes gravitationnelles et autres observations astronomiques rapportées aujourd'hui marquent la pleine implication de LIGO dans l'astronomie multi-messagers. La récolte scientifique d'aujourd'hui a été semée et travaillée pendant des décennies par des collègues du monde entier. »

Le 17 août, le logiciel d'analyse de données en temps réel de LIGO a capté un signal fort d'ondes gravitationnelles depuis l'espace dans l'un des deux détecteurs LIGO. À peu près au même moment, le Gamma-ray Burst Monitor du télescope spatial Fermi de la NASA avait détecté une rafale de rayons gamma. Le logiciel d'analyse LIGO-Virgo a réuni les deux signaux et a vu qu'il était très peu probable qu'il s'agisse d'une coïncidence fortuite, et une autre analyse LIGO automatisée a indiqué qu'il y avait un signal d'onde gravitationnelle coïncident dans l'autre détecteur LIGO. La détection rapide des ondes gravitationnelles par l'équipe LIGO-Virgo, couplée à la détection des rayons gamma de Fermi, a permis le lancement d'un suivi par les télescopes du monde entier.

Les données LIGO indiquaient que deux objets astrophysiques situés à une distance relativement proche de 130 millions d'années-lumière de la Terre s'étaient rapprochés l'un de l'autre. Les deux objets ont été estimés dans une plage d'environ 1,1 à 1,6 fois la masse du soleil, dans la plage de masse des étoiles à neutrons. Une étoile à neutrons mesure environ 20 kilomètres ou 12 miles de diamètre et est si dense qu'une cuillère à café de matériau d'étoile à neutrons a une masse d'environ un milliard de tonnes.

Alors que les trous noirs binaires produisent des « chirps » d'une fraction de seconde dans la bande sensible du détecteur LIGO, le chirp du 17 août a duré environ 100 secondes et a été observé sur toute la plage de fréquences de LIGO – à peu près la même plage que les instruments de musique courants. Les scientifiques ont pu identifier la source du gazouillis comme des objets beaucoup moins massifs que les trous noirs observés à ce jour.

À propos de la collaboration scientifique LIGO-Virgo

LIGO est financé par la NSF et exploité par Caltech et le MIT, qui ont conçu LIGO et dirigé les projets LIGO initial et avancé. Le soutien financier du projet Advanced LIGO a été mené par la NSF avec l'Allemagne (Max Planck Society), le Royaume-Uni (Science and Technology Facilities Council) et l'Australie (Australian Research Council) qui ont pris des engagements et des contributions importants au projet.

Plus de 1 200 scientifiques et une centaine d'institutions du monde entier participent à l'effort par le biais de la collaboration scientifique LIGO, qui comprend la collaboration GEO et la collaboration australienne OzGrav. Des partenaires supplémentaires sont répertoriés sur http://ligo.org/partners.php

La collaboration Virgo regroupe plus de 280 physiciens et ingénieurs appartenant à 20 groupes de recherche européens différents : six du Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS) en France huit de l'Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (INFN) en Italie deux aux Pays-Bas avec Nikhef le MTA Wigner RCP en Hongrie le groupe POLGRAW en Pologne Espagne avec l'Université de Valence et l'Observatoire Gravitationnel Européen, EGO, le laboratoire hébergeant le détecteur Virgo près de Pise en Italie, financé par le CNRS, l'INFN et Nikhef.

Lien supplémentaire :

GW170817 : Observation d'ondes gravitationnelles à partir d'une fusion d'étoiles à neutrons binaires, Physical Review Letters : https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.119.161101

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Une mystérieuse explosion d'ondes gravitationnelles est venue d'une région proche de Bételgeuse. Mais il n'y a probablement aucune connexion

Les ondes gravitationnelles sont causées par des événements calamiteux dans l'Univers. Les étoiles à neutrons qui fusionnent finalement après avoir tourné en rond pendant longtemps peuvent les créer, de même que deux trous noirs qui entrent en collision. Mais parfois, il y a une explosion d'ondes gravitationnelles qui n'ont pas de cause claire.

L'un de ces sursauts a été détecté par LIGO/VIRGO le 14 janvier et provenait de la même région du ciel qui abrite l'étoile Bételgeuse. Ouais, Bételgeuse, alias Alpha Orionis. L'étoile qui a récemment montré un comportement de gradation et devrait devenir une supernova à un moment donné dans le futur. Les deux seraient-ils liés ?

Bételgeuse est une étoile supergéante rouge de la constellation d'Orion. Elle a quitté la séquence principale il y a environ un million d'années et est une supergéante rouge depuis environ 40 000 ans. Finalement, Bételgeuse aura brûlé suffisamment d'hydrogène pour que son noyau s'effondre et qu'il explose en supernova.

La constellation familière d'Orion. La ceinture d'Orion est clairement visible, ainsi que Bételgeuse (étoile rouge dans le coin supérieur gauche) et Rigel (étoile bleu vif dans le coin inférieur droit) Crédit : NASA Astronomy Picture of the Day Collection NASA

Récemment, Bételgeuse s'est estompée. Cela a déclenché toutes sortes de spéculations selon lesquelles il pourrait se préparer à devenir une supernova. Les astrophysiciens ont rapidement versé de l'eau sur cette idée. Il n'y a pas de nombre exact, mais on estime que Bételgeuse ne deviendra pas une supernova avant 100 000 ans. Mais quand une étoile s'assombrit, il se passe clairement quelque chose.

Ce nouveau sursaut d'ondes gravitationnelles est-il lié à l'obscurcissement récent de Bételgeuse ? A sa future explosion de supernova ?

Les données LIGO de l'explosion d'ondes gravitationnelles du 14 janvier 2020. Crédit d'image : LIGO/VIRGO

Les astronomes comprennent que Bételgeuse est une étoile variable et que sa luminosité peut fluctuer. Des stars comme Bételgeuse ne sont pas que des entités statiques. C'est une étoile variable semi-régulière qui montre à la fois des changements périodiques et non périodiques de sa luminosité.

Les types d'ondes gravitationnelles détectées par LIGO sont appelées ondes d'éclatement. Il est possible qu'une supernova puisse les produire, mais Bételgeuse n'est pas devenue une supernova et ne le fera pas depuis longtemps.

Certains pensent que la détection des ondes gravitationnelles dans la direction de Bételgeuse n'est pas liée à l'étoile elle-même. En fait, la détection des ondes en rafale n'était peut-être même pas réelle.

Christopher Berry est un astrophysicien qui étudie les ondes gravitationnelles au Centre d'exploration et de recherche interdisciplinaires en astrophysique de l'Université Northwestern. Sur Twitter, il a parlé des ondes gravitationnelles en rafale.

Un nouveau candidat aux ondes gravitationnelles ?https://t.co/AOqqdpeiWi#S20014 a été trouvé par une recherche en rafale non modélisée, je suis toujours sceptique à leur sujet, car ils sont facilement confondus avec des problèmes
Taux de fausses alarmes : 1 par 25 ans
Notation: . pic.twitter.com/JuopetwKjq

&mdash Christopher Berry (@cplberry) 14 janvier 2020

Andy Howell de l'observatoire de Las Cumbres étudie la supernova et l'énergie noire. Il avait aussi quelque chose à dire sur Twitter et semblait s'amuser avec tout ça. Il est même sorti pour vérifier Bételgeuse après la détection des ondes gravitationnelles éclatées.

Pour mémoire, je sais que cela peut prendre des heures pour que le choc atteigne la surface. Je ne l'ai pas signalé au départ parce que je ne voulais pas que les gens restent éveillés toute la nuit pour regarder Bételgeuse. Je plaisantais surtout (mais je suis sorti parce que je ne pouvais pas résister).

&mdash Andy Howell (@d_a_howell) 14 janvier 2020

Ce n'est pas Bételgeuse qui explose parce que :
– Il se trouve en dehors de la région de localisation GW.
– L'éclatement n'est peut-être même pas réel.
– La rafale était probablement trop courte.
– Aucun neutrinos n'a été détecté
La gradation de la Bételgeuse est bien expliquée.
Moi marchant dehors pour vérifier = acheter un billet de loterie

&mdash Andy Howell (@d_a_howell) 14 janvier 2020

Alors voilà. Pas de supernova pour l'instant, en tout cas. Les ondes gravitationnelles éclatées peuvent n'être qu'un problème, et la gradation de Betelgeuse est bien comprise et ne constitue pas une menace.

Un jour, Bételgeuse explosera et notre ciel nocturne changera à jamais. Mais pour nous ici sur Terre, cette supernova ne pose aucun problème.

Vue d'artiste d'une explosion de supernova de type II qui implique la destruction d'une étoile supergéante massive. Un jour, Bételgeuse explosera, mais nous sommes trop loin pour ressentir le moindre effet. Crédit : ESO

Une étoile qui explose est un événement formidable. Et cela produit un cataclysme de radiations mortelles. Les rayons X, le rayonnement ultraviolet et même la matière stellaire sont éjectés avec une grande force. Le rayonnement le plus mortel est celui des rayons gamma, et Bételgeuse ne produira probablement même aucun de ceux-ci lorsqu'il soufflera.

Mais dans tous les cas, nous sommes à environ 700 années-lumière de Bételgeuse, et c'est bien trop loin pour que nous puissions nous en inquiéter.

La plus grande conséquence est que la constellation d'Orion changera pour toujours. Et il y aura un nouvel objet à étudier dans le ciel : un reste de supernova.

Typiquement, une supernova est entourée d'un nuage dense d'éjecta. Il s'agit d'une image en mosaïque de Cassiopée A, un vestige de supernova, prise par les télescopes spatiaux Hubble et Spitzer. Crédit : NASA/JPL-Caltech/STScI/CXC/SAO

Après les ondes gravitationnelles, quelle est la prochaine étape ?

L'exploration de l'espace ne s'arrête pas et, comme l'a souligné le Dr Charlton, il reste encore tant à découvrir grâce à la recherche.

« À long terme, l'un des objectifs est de tester la gravité quantique à l'aide d'ondes gravitationnelles. Ce qui a été réalisé chez LIGO n'est que la toute première étape vers cela. L'exploration de la gravité quantique se fera sur plusieurs générations.

« Les observations futures aideront à fixer des limites ou peut-être même à mesurer la masse du graviton, une particule hypothétique qui médie la gravité quantique. Lors de la fusion d'étoiles à neutrons binaires, nous avons observé les ondes gravitationnelles ainsi que la lumière, le sursaut gamma, presque en même temps. Nous avons donc une grande confiance qu'ils viennent tous les deux du même événement. Cependant, les photons de la lumière sont arrivés très légèrement derrière les ondes gravitationnelles. Un certain retard est attendu en raison de la lumière traversant le milieu interstellaire. Mais avec plus de précision, nous pourrions peut-être détecter une réelle différence entre la vitesse de la lumière et la vitesse des ondes gravitationnelles, ce qui pourrait nous dire si le graviton a une masse.


LIGO vient-il de détecter le signal « Trifecta » que tous les astronomes espéraient ?

Lorsqu'une onde gravitationnelle traverse un endroit dans l'espace, elle provoque une expansion et un . [+] compression à des moments alternés dans des directions alternées, provoquant un changement de la longueur des bras laser dans des orientations mutuellement perpendiculaires. C'est en exploitant ce changement physique que nous avons développé avec succès des détecteurs d'ondes gravitationnelles tels que LIGO et Virgo. En combinant les détections d'ondes gravitationnelles avec des détecteurs de particules et électromagnétiques, nous pourrions décrocher le jackpot : un tiercé gagnant pour l'astronomie multi-messagers.

En ce qui concerne les événements cataclysmiques dans l'Univers – partout où les interactions astrophysiques de grande amplitude provoquent une énorme libération d'énergie – notre compréhension des lois de la physique nous dit qu'il existe trois façons possibles de les détecter et de les mesurer. La première est la plus familière : à travers la lumière, ou les ondes électromagnétiques. La seconde passe par l'arrivée de particules : comme les rayons cosmiques ou les neutrinos énergétiques. Et le troisième, qui s'est concrétisé il y a un peu moins de quatre ans, provient de la détection des ondes gravitationnelles.

Depuis la première détection des ondes gravitationnelles, les astronomes espéraient l'événement ultime : un signal qui serait identifiable et détectable via les trois méthodes. Cela n'a jamais été observé auparavant, mais depuis que LIGO a commencé sa dernière collecte de données en avril, c'est l'espoir pas si secret des astronomes de tous types. Avec un nouvel événement candidat observé le dimanche 28 juillet 2019, nous venions peut-être de décrocher le jackpot.

LIGO et Virgo ont découvert une nouvelle population de trous noirs avec des masses plus grandes que quoi. [+] avait déjà été vu avec des études aux rayons X seules (violet). Ce graphique montre les masses des dix fusions de trous noirs binaires fiables détectées par LIGO/Virgo (bleu), ainsi que la fusion étoile à neutrons-étoile à neutrons observée (orange). LIGO/Virgo, avec l'amélioration de la sensibilité, devait détecter plus d'une fusion chaque semaine à partir d'avril.

LIGO/VIrgo/Université du Nord-Ouest/Frank Elavsky

LIGO était opérationnel et prenait des données sur deux périodes différentes de 2015 à 2017, avec des durées respectives de 4 et 9 mois. Cette dernière comportait un chevauchement, au cours de l'été 2017, avec le fonctionnement du détecteur VIRGO. Au cours de cette période, ces détecteurs d'ondes gravitationnelles ont vu un grand total de 11 événements qui ont maintenant été classés comme des détections d'ondes gravitationnelles robustes.

10 of them were from black hole-black hole mergers, where the masses of those merging black holes ranged from a low of 8 solar masses to a high of 50 solar masses, albeit with large uncertainties. When black holes merge, they aren't expected to have an electromagnetic counterpart. Only one of those events — the very first one — had any light-based signal detected that was possibly associated with it, and even that was only by one detector (NASA's Fermi) and at a modest (2.9-sigma) significance.

Artist’s illustration of two merging neutron stars. The rippling spacetime grid represents . [+] gravitational waves emitted from the collision, while the narrow beams are the jets of gamma rays that shoot out just seconds after the gravitational waves (detected as a gamma-ray burst by astronomers). The aftermath of the neutron star merger observed in 2017 points towards the creation of a black hole.

NSF / LIGO / Sonoma State University / A. Simonnet

But one signal was fundamentally different. Instead of a black hole-black hole merger, it had the right frequency and amplitude properties to indicate a different type of event: a neutron star-neutron star merger. Whereas black holes have event horizons around the overwhelming majority of their masses, shielding the outside Universe from any particles or electromagnetic radiation that would be created from the cataclysmic event, neutron stars do not.

As a result, a gamma-ray signal arrived nearly at the same exact time as the gravitational waves, with less than a 2-second difference in arrival time. Across a journey of more than 100 million light-years, that one measurement both confirmed that gravitational waves and electromagnetic waves travel at the same speed to within 15 significant digits, and also heralded the first multi-messenger signal that involved gravitational waves.

The galaxy NGC 4993, located 130 million light years away, had been imaged many times before. Mais . [+] just after the August 17, 2017 detection of gravitational waves, a new transient source of light was seen: the optical counterpart of a neutron star-neutron star merger.

P.K. Blanchard / E. Berger / Pan-STARRS / DECam

Over the coming weeks, dozens of other professional observatories got in on the action. X-rays, optical signals, infrared and radio observations allowed astronomers to better study this kilonova event, and helped astronomers across fields understand how their data and information would be complementary to one another in the case of such an event.

While we can learn a tremendous amount of astrophysical information about these objects and events from each electromagnetic wavelength, the information we learn from gravitational waves is different. Even with just this one multi-messenger event, gravitational waves alone taught us:

  • the rough location of this event,
  • the masses of the neutron stars prior to the merger,
  • the final mass of the final-state object,
  • and that the post-merger object was a rapidly-rotating neutron star for a substantial fraction of a second before finally collapsing into a black hole.

The remnant of supernova 1987a, located in the Large Magellanic Cloud some 165,000 light years away. . [+] The fact that neutrinos arrived hours before the first light signal taught us more about the duration it takes light to propagate through the star's layers of a supernova than it did about the speed neutrinos travel at, which was indistinguishable from the speed of light. Neutrinos, light, and gravity appear to all travel at the same speed now.

Noel Carboni & the ESA/ESO/NASA Photoshop FITS Liberator

This marked the first time that gravitational waves were used as a component of multi-messenger astronomy, but it wasn't the only multi-messenger event ever observed. Back in 1987, a supernova went off in the Large Magellanic Cloud, which is cosmically in our own backyard at just 165,000 light-years distant. It marked the closest supernova to occur, in proximity to Earth, in the modern era of physics and astronomy.

While the light arrived at our telescopes and detectors, it was a remarkable boon for astronomy, as this enabled us to study a supernova up close in a way that hadn't been possible since the invention of the telescope. But supernovae are accompanied by runaway nuclear fusion reactions, and those generate tremendous numbers of neutrinos. With large, fluid-filled tanks lined with photomultiplier tubes, we were able to detect a slew of neutrinos at the same time.

A neutrino event, identifiable by the rings of Cerenkov radiation that show up along the . [+] photomultiplier tubes lining the detector walls, showcase the successful methodology of neutrino astronomy and leveraging the use of Cherenkov radiation. This image shows multiple events, and is part of the suite of experiments paving our way to a greater understanding of neutrinos. The neutrinos detected in 1987 marked the dawn of both neutrino astronomy as well as multi-messenger astronomy.

Super Kamiokande collaboration

This marked the true dawn of multi-messenger astronomy, and with it, we learned a tremendous amount of information about the phenomenon we were observing. The neutrinos all carried specific amounts of energy and arrived over a timespan of multiple seconds. This allowed us to understand the internal mechanisms of nuclear reactions occurring in a core-collapse supernova: information we never could have received from electromagnetic signals alone.

Many scientists are hopeful that were a similar supernova to go off today, our scientific instruments would enable us to detect tens of thousands of neutrinos — and, if nature is kind, gravitational waves as well — in addition to the light signals. That would realize the ultimate dream of the relatively new field of multi-messenger astronomy: to measure three fundamentally different types of signals associated with the same event.

Even though black holes should have accretion disks, the electromagnetic signal expected to be . [+] generated by a black hole-black hole merger ought to be undetectable. If there's an electromagnetic counterpart generated along with gravitational waves from binary black hole mergers, it would be a surprise. But, then again, detecting particles from merging black holes would be a surprise, too, and scientists of all types live for exactly these types of unexpected surprise.

NASA / Dana Berry (Skyworks Digital)

Well, it's still extremely early, but this dream may be realized with an event that occurred on July 28, 2019. You might be surprised to learn that LIGO turned on again, after a substantial upgrade that increased its sensitivity and detection range, back in April of 2019. It's been operating for nearly four full months, taking data for practically all of it.

And even though you haven't heard anything from the collaboration in that time, they have a publicly available database of everything that they consider to be candidate events. At the time that this piece is being written, 24 have been recorded: more than twice the total number of events seen during the prior two runs combined. The latest, presently labeled S190728q, may turn out to be the first triple multi-messenger astronomy event ever.

The likelihood estimate, generated approximately an hour after the first signal was observed, of . [+] where the candidate gravitational event S190728q may have occurred on the sky. Initial reports were less restrictive and subsequent reports (with improved analysis) are more restrictive, but this is one of two dozen potential compelling gravitational wave events seen since LIGO restarted back in April.

From the gravitational waves alone, scientists were able to perform a fast analysis and restrict the location where the originating event may have occurred to just 55 square degrees (out of

40,000 on the entire sky) as the best place to look for other types of messenger signals.

Completely independently, the IceCube neutrino detector at the South Pole detected a track-like neutrino event that corresponds to almost the exact same time of origin. Because of how rare neutrinos are, every event at IceCube is of potential interest as a signal from the distant Universe. This one, in particular, has astronomers across the globe holding their breath.

We can reconstruct its location on the sky, and find that, remarkably, the neutrino overlaps in both space and time with the preliminary gravitational wave signal seen by LIGO and Virgo!

The 'tiles' on the sky that are presently being scanned by NASA's Swift satellite to look for any . [+] electromagnetic counterparts to the signals seen by both LIGO/Virgo (contours) and IceCube (neutrinos/particles). Even without an electromagnetic signal, this might mark the first multi-messenger astronomy event to involve both gravitational waves and particles.

LIGO/Virgo collaboration / IceCube data / NASA Swift / A. Tohuvavohu (Twitter)

Right now, LIGO is stating, with 95% confidence, that this was most probably a binary black hole merger occurring an estimated 2.87 billion light-years away. If there does turn out to be an electromagnetic counterpart, it would be revolutionary. All at once, we would:

  • have our first three-messenger astronomy event,
  • learn that either this object wasn't a binary black hole or that binary black holes could produce electromagnetic counterparts, and
  • have a clue as to what types of events could produce detectable gravitational waves, light signals, and neutrinos from such a large distance away.

Even if no electromagnetic signal is seen, but the IceCube and LIGO/Virgo signals do turn out to be real, robust, and aligned, it would be a tremendous achievement. This would mark the first multi-messenger event to involve both gravitational waves and particles.

An example of a high-energy neutrino event detected by IceCube: a 4.45 PeV neutrino striking the . [+] detector back in 2014. The neutrino observed on July 28, 2019 may not possess this extreme energy, but it offers a chance at an even bigger prize: a multi-messenger signal between particles and gravitational waves.

IceCube South Pole Neutrino Observatory / NSF / University of Wisconsin-Madison

Of course, all of this is just preliminary at this point. The LIGO collaboration has yet to announce a definitive detection of any type, and the IceCube event may turn out to be either a foreground, unrelated neutrino or a spurious event entirely. No electromagnetic signal has been announced, and there might not be one at all. Science moves slowly and carefully, as it should, and all of what's been written here is a best-case scenario for the optimistic hopefuls out there, not a slam-dunk by any means.

But if we keep watching the sky in these three fundamentally different ways, and keep increasing and improving the precision at which we do so, it's only a matter of time before the right natural event gives us the signal every astronomer has been waiting for. Just a generation ago, multi-messenger astronomy was nothing but a dream. Today, it's not just the future of astronomy, but the present as well. There's no moment in science quite as exciting as being on the cusp of an unprecedented breakthrough.


Reanalyzing LIGO-Virgo gravitational wave events under the new lens of… lensing!

The gravitational attraction of clumps of matter like galaxies and clusters has the power to act as a lens, bending and curving light coming from a luminous source behind it. This phenomenon, known as ‘ Gravitational Lensing ’, can completely distort images of the light source, either by magnifying and extending it into rings (known as Einstein rings ), or by generating multiple copies of it distributed around the lens like a cross (Figure 1, bottom). Studies of gravitational lensing have helped inform us about a wide array of astrophysical phenomena, including dark matter , the Hubble constant , galaxy evolution , to name a few.

Figure 1: (Top) A cartoon depicting the bending of gravitational waves as they pass through a region of dense matter acting as a gravitational lens, before hitting a ground-based detector. (Bottom) Optical images depicting various forms of gravitational lensing, including the Einstein ring, Einstein cross, and extended structures. (Image credit: www.ligo.org)

When Gravity Lenses Gravity

Since 2015, LIGO and Virgo have opened a new window to study the universe through gravitational waves , ripples in spacetime caused by pairs of compact objects such as black holes and neutron stars spiraling into one another. These observatories record a characteristic chirping strain signal, lasting from a few seconds to a few hundred seconds that rises in frequency as the two objects get closer and finally merge. This peculiar waveform pattern holds the key to unlocking several parameters of the binary, such as the masses and spins of the objects. In addition, its amplitude and relative phase in two detectors can tell us the sky location of the merger, as well as its distance away from us. Mergers closer to the Earth appear louder in the gravitational wave detectors. To date, LIGO-Virgo have announced the detection of over 50 binary black holes and 2 binary neutron star mergers in its latest catalog of events, dubbed the ‘ O3a’ catalog .

Gravitational Waves behave in the same way as Electromagnetic waves in many ways. The 2017 detection of gravitational waves accompanied by an electromagnetic counterpart of GW170817, a binary neutron star merger verified that gravitational waves also travel at the speed of light . As such, gravitational waves themselves can undergo lensing due to the large, massive structures, such as galaxies and clusters of galaxies that make up a gravitational lens! The curvature of the fabric of spacetime due to a gravitational lens can bend the ripples in spacetime passing through (Figure 1, top).

What effects does a lensed Gravitational wave event show?

Unlike optical light which appears distorted in a lensed image, gravitational waves are recorded as a time-series and show different effects under lensing. An incoming gravitational wave chirp that gets lensed can get affected in the following ways: (i) The signal can get amplified, which leads us to believe that it is coming from a merger that is closer to us and has heavier masses, or (ii) We may detect multiple copies of the same event signal. The former may provide an explanation for some exceptionally heavy binaries observed, such as GW190521 . In case of the latter, the duplicate signal can arrive anywhere from a few minutes, to several days or even years apart, depending on the nature of the lens. Gravitational microlensing can even make copies of a signal appear slightly shifted but overlapping with the original signal.

An important advantage of gravitational wave lensing is that it lets us probe deeper into the universe: events that would normally be too faint to detect being at large distances can get amplified and show up in LIGO-Virgo data due to lensing. Figure 2 shows how the presence of lensed events can contribute to our understanding of the rate of compact binary mergers at different redshifts .

Figure 2: The merger rate (number of events per year in a volume of 1 cubic Gigaparsec) of compact binary sources as a function of redshift. The vast expanse of the blue region indicates our lack of knowledge of the merger rate at large redshifts in the absence of amplified, lensed events. With lensing, we can better constrain the merger rate just by observing more events from larger redshifts (red region). The different lines indicate different types of lenses (G: Galaxy, C: Galaxy cluster, S: single, amplified lensing, D: duplicated signal due to lensing) – Figure 1 from the paper.

Does the new catalog contain lensed events?

With a population of gravitational wave events being recorded over the past few years, LIGO-Virgo researchers have done a thorough analysis of all available data to check whether any detected signals show signs of being amplified due to lensing, or are duplicates of a previously detected event. In order to find duplicates, they ranked all possible pairs of events in terms of their similarity and the likelihood of the time delay between them being due to lensing (Figure 3).

Figure 3: Pairs of events that can possibly be lensed duplicates of each other, scattered according to the similarity between their waveforms (y-axis) and the likelihood that the time delay between them is due to lensing (x-axis). A real, lensed event pair will lie far on the top-right corner, beyond the boundaries of this plot. Figure 3 from the paper.

Even the most likely-lensed pairs from the O3a catalog are not statistically significant candidates for being actual lensed duplicates of each other. Tests for other forms of lensing, including signal amplification and microlensing also do not yield adequate evidence of lensing from the O3a catalog events. As illustrated in Figure 2, even the non-detection of lensing helps us fill in important gaps in our knowledge regarding the distribution of compact objects in our universe. Hovering the magnifying glass over even more gravitational wave detections in the future may one day fill in these gaps through a direct observation of gravitational wave lensing.


Gravitational Waves Detected

For the first time, scientists have observed ripples in the fabric of spacetime called gravitational waves, arriving at Earth from a cataclysmic event in the distant universe. This confirms a major prediction of Albert Einstein's 1915 general theory of relativity and opens an unprecedented new window to the cosmos.

Gravitational waves carry information about their dramatic origins and about the nature of gravity that cannot be obtained from elsewhere. Physicists have concluded that the detected gravitational waves were produced during the final fraction of a second of the merger of two black holes to produce a single, more massive spinning black hole. This collision of two black holes had been predicted but never observed.

The gravitational waves were detected on Sept. 14, 2015 at 5:51 a.m. EDT (09:51 UTC) by both of the twin Laser Interferometer Gravitational-wave Observatory (LIGO) detectors, located in Livingston, Louisiana, and Hanford, Washington. The LIGO observatories are funded by the National Science Foundation (NSF), and were conceived, built and are operated by the California Institute of Technology (Caltech) and the Massachusetts Institute of Technology (MIT). The discovery, accepted for publication in the journal Lettres d'examen physique, was made by the LIGO Scientific Collaboration (which includes the GEO Collaboration and the Australian Consortium for Interferometric Gravitational Astronomy) and the Virgo Collaboration using data from the two LIGO detectors.

Based on the observed signals, LIGO scientists estimate that the black holes for this event were about 29 and 36 times the mass of the sun, and the event took place 1.3 billion years ago. About three times the mass of the sun was converted into gravitational waves in a fraction of a second -- with a peak power output about 50 times that of the whole visible universe. By looking at the time of arrival of the signals -- the detector in Livingston recorded the event 7 milliseconds before the detector in Hanford -- scientists can say that the source was located in the Southern Hemisphere.

According to general relativity, a pair of black holes orbiting around each other lose energy through the emission of gravitational waves, causing them to gradually approach each other over billions of years, and then much more quickly in the final minutes. During the final fraction of a second, the two black holes collide at nearly half the speed of light and form a single more massive black hole, converting a portion of the combined black holes' mass to energy, according to Einstein's formula E=mc 2 . This energy is emitted as a final strong burst of gravitational waves. These are the gravitational waves that LIGO observed.

The existence of gravitational waves was first demonstrated in the 1970s and 1980s by Joseph Taylor, Jr., and colleagues. In 1974, Taylor and Russell Hulse discovered a binary system composed of a pulsar in orbit around a neutron star. Taylor and Joel M. Weisberg in 1982 found that the orbit of the pulsar was slowly shrinking over time because of the release of energy in the form of gravitational waves. For discovering the pulsar and showing that it would make possible this particular gravitational wave measurement, Hulse and Taylor were awarded the 1993 Nobel Prize in Physics.

The new LIGO discovery is the first observation of gravitational waves themselves, made by measuring the tiny disturbances the waves make to space and time as they pass through the earth.

"Our observation of gravitational waves accomplishes an ambitious goal set out over five decades ago to directly detect this elusive phenomenon and better understand the universe, and, fittingly, fulfills Einstein's legacy on the 100th anniversary of his general theory of relativity," says Caltech's David H. Reitze, executive director of the LIGO Laboratory.

The discovery was made possible by the enhanced capabilities of Advanced LIGO, a major upgrade that increases the sensitivity of the instruments compared to the first generation LIGO detectors, enabling a large increase in the volume of the universe probed -- and the discovery of gravitational waves during its first observation run. NSF is the lead financial supporter of Advanced LIGO. Funding organizations in Germany (Max Planck Society), the U.K. (Science and Technology Facilities Council, STFC) and Australia (Australian Research Council) also have made significant commitments to the project.

Several of the key technologies that made Advanced LIGO so much more sensitive were developed and tested by the German UK GEO collaboration. Significant computer resources were contributed by the AEI Hannover Atlas Cluster, the LIGO Laboratory, Syracuse University and the University of Wisconsin-Milwaukee. Several universities designed, built and tested key components for Advanced LIGO: The Australian National University, the University of Adelaide, the University of Florida, Stanford University, Columbia University of the City of New York and Louisiana State University.

"In 1992, when LIGO's initial funding was approved, it represented the biggest investment NSF had ever made," says France Córdova, NSF director. "It was a big risk. But NSF is the agency that takes these kinds of risks. We support fundamental science and engineering at a point in the road to discovery where that path is anything but clear. We fund trailblazers. It's why the U.S. continues to be a global leader in advancing knowledge."

LIGO research is carried out by the LIGO Scientific Collaboration (LSC), a group of more than 1,000 scientists from universities around the United States and in 14 other countries. More than 90 universities and research institutes in the LSC develop detector technology and analyze data approximately 250 students are strong contributing members of the collaboration. The LSC detector network includes the LIGO interferometers and theGEO600 detector. The GEO team includes scientists at the Max Planck Institute for Gravitational Physics (Albert Einstein Institute, AEI), Leibniz Universität Hannover, along with partners at the University of Glasgow, Cardiff University, the University of Birmingham, other universities in the United Kingdom and the University of the Balearic Islands in Spain.

"This detection is the beginning of a new era: The field of gravitational wave astronomy is now a reality," says Gabriela González, LSC spokesperson and professor of physics and astronomy at Louisiana State University.

LIGO was originally proposed as a means of detecting gravitational waves in the 1980s by Rainer Weiss, professor of physics, emeritus, from MIT Kip Thorne, Caltech's Richard P. Feynman Professor of Theoretical Physics, emeritus and Ronald Drever, professor of physics, emeritus, also from Caltech.

"The description of this observation is beautifully described in the Einstein theory of general relativity formulated 100 years ago and comprises the first test of the theory in strong gravitation. It would have been wonderful to watch Einstein's face had we been able to tell him," says Weiss.

"With this discovery, we humans are embarking on a marvelous new quest: the quest to explore the warped side of the universe -- objects and phenomena that are made from warped spacetime. Colliding black holes and gravitational waves are our first beautiful examples," says Thorne.

Virgo research is carried out by the Virgo Collaboration, consisting of more than 250 physicists and engineers belonging to 19 different European research groups: six from Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS) in France eight from the Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (INFN) in Italy two in the Netherlands with Nikhef the Wigner RCP in Hungary the POLGRAW group in Poland and the European Gravitational Observatory (EGO), the laboratory hosting the Virgo detector near Pisa in Italy.

Fulvio Ricci, Virgo spokesperson, notes that: "This is a significant milestone for physics, but more importantly merely the start of many new and exciting astrophysical discoveries to come with LIGO and Virgo."

Bruce Allen, managing director of the Max Planck Institute for Gravitational Physics adds: "Einstein thought gravitational waves were too weak to detect, and didn't believe in black holes. But I don't think he'd have minded being wrong!"

"The Advanced LIGO detectors are a tour de force of science and technology, made possible by a truly exceptional international team of technicians, engineers, and scientists," says David Shoemaker of MIT, the project leader for Advanced LIGO. "We are very proud that we finished this NSF-funded project on time and on budget."

At each observatory, the 2 1/2-mile (4-km) long, L-shaped LIGO interferometer uses laser light split into two beams that travel back and forth down the arms (four-foot diameter tubes kept under a near-perfect vacuum). The beams are used to monitor the distance between mirrors precisely positioned at the ends of the arms. According to Einstein's theory, the distance between the mirrors will change by an infinitesimal amount when a gravitational wave passes by the detector. A change in the lengths of the arms smaller than one-ten-thousandth the diameter of a proton (10 -19 meters) can be detected.

"To make this fantastic milestone possible took a global collaboration of scientists -- laser and suspension technology developed for our GEO600 detector was used to help make Advanced LIGO the most sophisticated gravitational wave detector ever created," says Sheila Rowan, professor of physics and astronomy at the University of Glasgow.

Independent and widely separated observatories are necessary to determine the direction of the event causing the gravitational waves, and also to verify that the signals come from space and are not from some other local phenomenon.

Toward this end, the LIGO Laboratory is working closely with scientists in India at the Inter-University Centre for Astronomy and Astrophysics, the Raja Ramanna Centre for Advanced Technology, and the Institute for Plasma to establish a third Advanced LIGO detector on the Indian subcontinent. Awaiting approval by the government of India, it could be operational early in the next decade. The additional detector will greatly improve the ability of the global detector network to localize gravitational-wave sources.

"Hopefully this first observation will accelerate the construction of a global network of detectors to enable accurate source location in the era of multi-messenger astronomy," says David McClelland, professor of physics and director of the Centre for Gravitational Physics at the Australian National University.


Voir la vidéo: LA DÉTECTION DES ONDES GRAVITATIONNELLES (Septembre 2021).