GWTC-3 : ce que contient le catalogue des 90 détections d’ondes gravitationnelles

La collaboration LIGO-Virgo-KAGRA a mis en ligne son Gravitational-Wave Transient Catalog répertoriant l’ensemble des détections d’ondes gravitationnelles. Elles sont de plus en plus nombreuses, parfois plusieurs événements par jour. Les instruments sont en train d’être améliorés pour le prochain « run ».

En février 2016, les laboratoires Virgo en Italie et LIGO aux États-Unis annonçaient officiellement avoir observé de manière directe des ondes gravitationnelles, une première ! Alors certes Albert Einstein avait prédit ce phénomène il y a une centaine d’années, mais on passait alors de la théorie à la pratique, ouvrant au passage de nouvelles perspectives : « c’est une nouvelle façon d’explorer l’Univers », expliquait à l'époque le CNRS.

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Les détecteurs LIGO et Virgo sont rejoints par KAGRA

Les détections se sont ensuite enchainées plus ou moins rapidement, notamment grâce à l’amélioration de la précision des instruments : deux interféromètres LIGO aux États-Unis et un Virgo en Italie. Fin 2019, un troisième venait s’ajouter, le laboratoire japonais KAGRA.

Ce partenariat couvre à la fois des « recherches communes d’ondes gravitationnelles ainsi que le partage des données scientifiques pour les prochaines années ». Plus on est de fous, plus les « chances » de détection augmentent, mais aussi la précision des mesures et donc la possibilité de retracer la source de cette vague déformant de manière infime l’espace-temps. 

90 détections d’ondes gravitationnelles

Il y a quelques jours, la collaboration LIGO-Virgo-KAGRA dévoilait la seconde partie (O3b) de son troisième catalogue Gravitational-Wave Transient Catalog (GWTC-3). Pour rappel, durant les deux premiers runs (O1 en 2015-2016 et O2 en 2016-2017), une dizaine d’événements ont été détectés. Durant la première partie du troisième run – O3a d’avril à octobre 2019 –, les scientifiques ont observé une quarantaine d’événements.

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Avec O3b – de novembre 2019 à mars 2020 – 35 nouvelles observations sont annoncées, portant ainsi le total à 90 événements. 17 des 35 détections n’avaient pas été publiées auparavant. Quelques événements notables sont détaillés dans cette infographie, tandis que l’ensemble des données se trouvent sur cette page.

Les plus attentifs auront remarqué que le tableau comporte 91 cases pour 90 détections annoncées : « il inclut l'événement GW200105 bien que ce dernier signal soit considéré comme marginal (c'est-à-dire que son origine astrophysique est incertaine) », explique Virgo.

Poids lourd, grand écart et incertitudes au programme

Le système binaire le plus massif (avant collision) était représenté par deux trous noirs de 87 et 61 masses solaire (cette unité vaut 1,989 x 10³⁰ kg). Durant les précédents runs, des trous noirs encore plus massifs avaient déjà fusionné : 107 et 77 masses solaires ainsi que 95 et 69 masses solaires durant O3a.

Les trous noirs en résultant ont respectivement 141, 175 et 156 masses solaires. Les différences entre les points de départ et l’arrivée (87 + 61 > 141 par exemple) s’expliquent par l’incertitude des mesures et le fait qu’un peu de matière se transforme en ondes gravitationnelles. 

GW191219_163120 est un autre événement notable de cette salve d’ondes gravitationnelles : c’est celui avec le plus grand ratio entre les masses des deux objets avant fusion. Il s’agissait d’un trou noir de 31 masses solaires et d’une étoile à neutrons de 1,17 masse solaire « seulement », pour au final obtenir un trou noir de 32 masses solaires.

Il règne par contre une certaine incertitude autour de l’événement GW200210_092254. Il s’agit de la fusion entre un trou noir de 24 masses et un objet de 2,8 masses solaires… mais les scientifiques ne savent pas s’il s’agit d’une étoile à neutrons particulièrement lourde ou d’un trou noir au contraire relativement léger. 

« Depuis la première détection d'ondes gravitationnelles en 2015, le nombre de détections a augmenté à un rythme fulgurant », explique LIGO. En l’espace de quelques années, nous sommes passés d’une première observation de ces infimes vibrations dans le tissu de l'univers « à de nombreux événements chaque mois, et même plusieurs le même jour ». Ces phénomènes n’ont donc absolument rien d’exceptionnel et se produisent très régulièrement dans l’immensité de l’Univers. 

Hannah Middleton, postdoctorante à l’université de Melbourne explique que « chaque nouvelle sortie d'observation apporte son lot de découvertes et surprises ». Et même si le troisième cycle d'observation amène à des détections quasi quotidiennes, elle affirme que « chaque détection est passionnante ».

Elle ajoute que « les futurs runs permettront certainement de trouver des événements plus inhabituels ».

O4 débutera durant la seconde moitié de 2022

LIGO précise enfin que ces instruments ainsi que ceux de Virgo « font actuellement l'objet d'améliorations avant la quatrième période d'observation à venir, qui devrait commencer au second semestre de l'année prochaine ». KAGRA devrait se joindre pour effectuer des observations conjointes avec ses deux camarades. 

Pour O4, la sensibilité accrue devrait permettre « d’observer un volume d’Univers près de cinq fois plus grand que précédemment et donc de détecter encore plus de signaux d’ondes gravitationnelles », explique Virgo.