ronomie et Espace
Astronomie
26 mai 2026
Des astrophysiciens découvrent un trésor d'ondes gravitationnelles
Par l'Université de Glasgow
Édité par Lisa Lock, relu par Robert Egan
Notes de la rédaction
The GIST
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Crédit : Université de Glasgow
Des chercheurs de l'Institut de recherche gravitationnelle de l'Université de Glasgow célèbrent la publication d'une nouvelle série de détections d'ondes gravitationnelles, considérée comme une étape importante marquant l'avènement de l'astronomie gravitationnelle.
Le catalogue des transitoires d'ondes gravitationnelles 5.0 (GWTC-5) est désormais disponible en ligne, accompagné des articles scientifiques correspondants soumis à Astrophysical Journal et Astrophysical Journal Letters.
Cette dernière mise à jour détaille 161 nouveaux signaux provenant de collisions de trous noirs, détectés entre avril 2024 et fin janvier 2025 par les détecteurs d'ondes gravitationnelles LIGO (États-Unis), Virgo (Italie) et KAGRA (Japon), réunis au sein de la collaboration LVK. Grâce à cette publication, le nombre total de signaux d'ondes gravitationnelles détectés à ce jour s'élève à 390.
Parmi les découvertes les plus importantes présentées dans ce catalogue figurent la preuve de l'existence de trous noirs de seconde génération, la localisation céleste la plus précise jamais obtenue pour une source d'ondes gravitationnelles et la première mesure de trois modes de vibration d'un trou noir.
Les astrophysiciens de l'Université de Glasgow jouent un rôle essentiel dans la recherche sur les ondes gravitationnelles depuis les années 1970. Ils ont dirigé le développement des suspensions de miroirs délicates qui constituent le cœur des détecteurs de l'Observatoire d'ondes gravitationnelles par interférométrie laser (LIGO) de la Fondation nationale américaine pour la science (NSF), rendant ainsi les détections possibles.
Depuis la première détection directe historique en septembre 2015, ils ont travaillé en étroite collaboration avec leurs collègues de la collaboration internationale LVK afin d'améliorer les performances des détecteurs et l'analyse des données, dont la fréquence augmente à mesure que les détecteurs gagnent en sensibilité.
Lors des campagnes d'observation, les détecteurs de la collaboration ont capté entre trois et quatre signaux par semaine, et une fréquence plus élevée est attendue lors des prochaines campagnes.
La collaboration alterne des périodes de collecte de données, appelées campagnes d'observation, avec des phases consacrées à la mise à niveau et à la mise en service des détecteurs. C'est également pourquoi le catalogue d'événements d'ondes gravitationnelles, comprenant les données validées et les paramètres physiques des sources, est mis à jour et partagé avec la communauté scientifique au sens large environ tous les six mois.
Le Dr Daniel Williams, chercheur à l'Institut de recherche gravitationnelle et coprésident du groupe de travail sur la science des binaires compactes du LSC, a déclaré : « Cette mise à jour majeure a une fois de plus élargi et approfondi notre connaissance de l'univers, et nous a offert de nombreux aperçus supplémentaires de ses objets les plus insaisissables : les collisions de trous noirs.»
Crédit : Université de Glasgow
Des signaux plus nets et une clarté historique
« Il y a à peine dix ans, nous avons réalisé la première détection d'ondes gravitationnelles provenant d'un de ces événements, et le fait que nous en détections et analysions aujourd'hui des centaines témoigne du travail remarquable de centaines de scientifiques à travers le monde. »
À Glasgow, nous sommes à la pointe du développement de nouvelles technologies pour accroître la sensibilité des détecteurs, ce qui nous permet d'observer davantage de signaux, plus clairement, et provenant de collisions bien plus lointaines qu'il y a dix ans. Nous menons également le développement d'analyses critiques qui nous permettent d'extraire une quantité considérable d'informations de chaque signal : décoder les propriétés de trous noirs entrant en collision à des milliards d'années-lumière de la Terre, grâce à une mesure qui décale nos détecteurs d'une fraction de la taille d'un noyau atomique.
Outre les nouvelles perspectives offertes par ce nombre extraordinaire d'observations, le nouveau catalogue comprend également plusieurs détections exceptionnelles qui établissent de nouveaux records en astronomie des ondes gravitationnelles : la meilleure localisation céleste jamais obtenue pour une source d'ondes gravitationnelles, le signal d'ondes gravitationnelles le plus clair jamais enregistré et la preuve de l'existence de trous noirs de seconde génération.
Le signal détecté le 15 juin 2024 par les deux télescopes LIGO aux États-Unis et Virgo en Italie – et donc nommé GW240615 – a établi un nouveau record de précision dans la localisation céleste des ondes gravitationnelles observées à ce jour. La source a été identifiée dans une zone de seulement 6 degrés carrés, une portion relativement petite de la sphère céleste.
L'événement d'ondes gravitationnelles observé avec cette localisation record était la fusion de deux trous noirs, d'environ 26 et 30 masses solaires, entrés en collision de manière violente à plus de 3 milliards d'années-lumière de la Terre.
Mesurer l'expansion de l'Univers grâce aux ondes gravitationnelles
Alex Papadopoulos, doctorant à l'Institut de recherche gravitationnelle, explique : « Le catalogue GWTC-5.0 mis à jour nous offre un ensemble beaucoup plus vaste de signaux d'ondes gravitationnelles, ce qui nous aide à répondre à l'une des questions fondamentales de la cosmologie : à quelle vitesse l'Univers est-il en expansion ?
Ce taux d'expansion est décrit par une valeur appelée constante de Hubble. Les ondes gravitationnelles nous permettent de le mesurer en estimant la distance qui sépare les objets en fusion, soit directement à partir du signal, soit en identifiant la galaxie où la fusion a eu lieu. »
L'une des principales améliorations de GWTC-5.0 par rapport aux catalogues précédents réside dans l'intégration des observations du détecteur Virgo, de retour après son absence lors de la précédente campagne d'observation. Grâce à ce détecteur supplémentaire, nous pouvons localiser les signaux d'ondes gravitationnelles dans le ciel avec une bien plus grande précision, facilitant ainsi l'identification de la galaxie hôte de chaque fusion. Notre bibliothèque de détections enrichie nous a également permis d'utiliser 236 signaux, soit près du double du nombre précédent, dans nos analyses. Chaque événement apporte une petite quantité d'information ; ainsi, l'ensemble de ces signaux supplémentaires améliore significativement nos résultats.
Ensemble, ces améliorations nous permettent de mesurer la constante de Hubble avec une précision inégalée grâce aux ondes gravitationnelles, nous rapprochant ainsi de la compréhension de l'une des questions ouvertes les plus importantes de la physique moderne.
À Glasgow, nous avons développé et testé un logiciel permettant d'effectuer cette analyse plus de mille fois plus rapidement qu'auparavant, malgré le nombre croissant de signaux d'ondes gravitationnelles dans le catalogue. Ce gain de vitesse nous a permis de tester un nombre bien plus important de scénarios et de vérifier la robustesse et la fiabilité optimales de nos résultats, grâce à la coordination de cet effort menée par notre Institut de recherche gravitationnelle.
Crédit : Ryan Nowicki, Karan Jani, Collaboration LIGO-Virgo-KAGRA
Le signal le plus net jamais enregistré
Détecter des ondes gravitationnelles ne se limite pas à la simple capture d'un signal ; il s'agit de l'extraire du bruit qui perturbe les détecteurs. Cela exige des analyses de données très sophistiquées, c'est pourquoi la « force » ou la « netteté » d'un signal est exprimée par le rapport signal/bruit (RSB). Le catalogue publié aujourd'hui inclut le signal d'ondes gravitationnelles le plus net jamais détecté, avec un RSB de 76,9.
Ce signal, GW250114, est parvenu sur Terre le 14 janvier 2025. Il a été généré par la fusion de deux trous noirs de masses quasi identiques (respectivement 32 et 34 fois la masse du Soleil), situés à plus d'un milliard d'années-lumière de la Terre. Sa « clarté » a permis d'obtenir des résultats scientifiques exceptionnels, notamment le test le plus précis jamais réalisé de la relativité générale et la confirmation du théorème de l'aire des trous noirs de Stephen Hawking.
Le Dr John Veitch, chercheur à l'Université de Glasgow et spécialiste de l'analyse des signaux des trous noirs, a déclaré : « Grâce à l'intensité de GW250114, nous avons pu comparer la déformation de l'espace-temps avant et après la fusion des trous noirs. Nous avons constaté que l'aire totale des horizons des événements (la surface de non-retour) a augmenté conformément aux lois de Hawking sur la mécanique des trous noirs.
Après la fusion, le trou noir résultant résonne comme une cloche, émettant des ondes gravitationnelles au lieu de sons. » L'analyse de ces ondes a confirmé que, bien que de l'énergie soit libérée sous forme d'ondes gravitationnelles lors de la fusion, l'entropie totale des trous noirs augmente conformément au second principe de la thermodynamique. Cela montre que même pour les trous noirs, les lois de la thermodynamique s'appliquent, mais contrairement aux objets ordinaires, plus ils contiennent d'énergie, plus ils se refroidissent.
Indices de trous noirs de seconde génération
En octobre et novembre 2024, à un mois d'intervalle seulement, deux fusions de trous noirs très particulières ont été détectées : GW241011 et GW241110, situées respectivement à environ 700 millions et 2,4 milliards d'années-lumière de la Terre.
Certaines caractéristiques de ces fusions, notamment la rotation des trous noirs (c'est-à-dire leur orientation et leur vitesse de rotation), indiquent que les objets impliqués pourraient être des trous noirs de « seconde génération », c'est-à-dire des trous noirs résultant de fusions antérieures. Ces objets se sont probablement formés dans des environnements cosmiques très denses et complexes, tels que les amas stellaires, où les trous noirs sont plus susceptibles d'entrer en collision et de fusionner de manière répétée.
Le nombre croissant d'événements observés a également permis aux chercheurs d'étudier et d'identifier de plus en plus clairement les propriétés de différentes populations de trous noirs. L'un des articles accompagnant le catalogue traite de ce sujet. Précisément sur ce point précis.
Élaboration d'un tableau d'ensemble
Storm Colloms, doctorant à l'Institut de recherche gravitationnelle, explique : « J'ai participé à l'étude des processus de fusion des trous noirs et des étoiles à neutrons grâce aux dernières observations. Nous avons étudié 267 sources, dont 104 nouvelles observations. Cet ensemble de centaines d'observations nous permet de mesurer avec précision les masses, les spins et les distances des systèmes binaires de trous noirs, et d'explorer les corrélations entre ces propriétés. Nous avons notamment constaté que les trous noirs de masses différentes présentent des spins différents, ce qui indique l'existence de voies de formation distinctes donnant naissance à des groupes de systèmes uniques.
Cette tendance avait déjà été suggérée par des observations publiées précédemment, GW241011 et GW241110, des paires de trous noirs présentant des spins élevés et des masses inégales. Ces deux observations ont révélé des signes caractéristiques indiquant que le trou noir le plus massif de chaque paire ne s'était pas formé directement à partir d'une étoile massive, mais lors de la fusion de deux trous noirs. » Les signatures des trous noirs issus de fusions antérieures persistent au sein de la population globale, indiquant que GW241011 et GW241110 ne sont pas des cas isolés, mais s'inscrivent dans une tendance sous-jacente. Nous disposons désormais de preuves de plus en plus nombreuses que l'Univers crée des trous noirs par fusion, en plus de ceux provenant d'étoiles binaires massives.
« Les dernières mesures de la population de sources d'ondes gravitationnelles nous rapprochent toujours plus d'une compréhension claire des origines des trous noirs binaires et des étoiles à neutrons. Grâce aux prochaines campagnes d'observation et à des détecteurs plus sensibles, nous obtiendrons des mesures plus précises des sources individuelles et augmenterons le nombre de sources dans nos catalogues, ce qui nous permettra d'explorer de manière toujours plus détaillée l'astrophysique de la formation des objets compacts. »
Le Dr Williams a ajouté : « Nous détectons désormais tellement de ces signaux que nous ne nous contentons plus d’étudier des collisions individuelles ; c’est l’équivalent astronomique de la découverte d’une civilisation ancienne. Les nouveaux résultats d’aujourd’hui sont comme la découverte d’un trésor jusque-là inconnu, révélant non seulement des vies individuelles, mais aussi la structure d’un monde disparu tout entier. »
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RESUME
Des astrophysiciens découvrent un trésor : une mine d'or de détections d'ondes gravitationnelles.
Le catalogue GWTC-5.0 recense 161 nouvelles détections d'ondes gravitationnelles, portant le total à 390. Il inclut la localisation céleste la plus précise et le signal le plus clair jamais obtenus. Des preuves de l'existence de trous noirs de seconde génération et une mesure améliorée de la constante de Hubble sont rapportées. Les analyses de population révèlent des voies de formation distinctes pour les trous noirs binaires, faisant progresser la compréhension de leurs origines et de leur propagation.
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COMMENTAIRES
Nous n en finirons pas de découvrir des phénomènes cosmologiques restés inaperçus jusqu a aujoud hui !
xxxxxxxxxxxxxxPublication details
GWTC-5.0: Population Properties of Merging Compact Binaries: dcc.ligo.org/LIGO-P2600045/public
Journal information: Astrophysical Journal Letters , Astrophysical Journal
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