Au cours des sept dernières années, les scientifiques de la collaboration LIGO-Virgo ont détecté au moins 90 signaux d’ondes gravitationnelles. Les ondes gravitationnelles sont des perturbations dans le tissu de l’espace-temps qui se propagent à partir d’événements cataclysmiques comme la fusion de trous noirs binaires.
Dans les observations de la première moitié de la dernière campagne expérimentale, qui s’est poursuivie pendant six mois en 2019, la collaboration a signalé avoir reçu des signaux de 44 fusions de trous noirs binaires.
Mais plus se cachaient dans les données.
Élargissant la recherche, un groupe international d’astrophysiciens a réexaminé les données et a trouvé 10 fusions de trous noirs supplémentaires, toutes en dehors du seuil de détection de l’analyse originale. Les nouvelles fusions font allusion à des scénarios astrophysiques exotiques qui, pour l’instant, ne peuvent être étudiés qu’en utilisant l’astronomie des ondes gravitationnelles.
Un artiste de la NASA a créé cette image d’un duo de trous noirs dansant. Les astrophysiciens de Princeton ont annoncé cette semaine avoir découvert 10 autres fusions de trous noirs cachées dans les données des détecteurs d’ondes gravitationnelles LIGO et Virgo. Crédit image : NASA
« Avec les ondes gravitationnelles, nous commençons maintenant à observer la grande variété de trous noirs qui ont fusionné au cours des derniers milliards d’années », a déclaré le physicien Seth Olsen, un candidat au doctorat à l’Université de Princeton qui a dirigé la nouvelle analyse. Chaque observation contribue à notre compréhension de la formation et de l’évolution des trous noirs, a-t-il déclaré, et la clé pour les reconnaître est de trouver des moyens efficaces de séparer les signaux du bruit.
Notamment, les observations comprenaient des phénomènes provenant de trous noirs de masse élevée et de faible masse, comblant les lacunes prévues dans le spectre de masse du trou noir où peu de sources ont été détectées. La plupart des modèles de physique nucléaire suggèrent que les étoiles ne peuvent pas s’effondrer dans des trous noirs dont la masse est comprise entre 50 et 150 fois la masse du soleil. « Lorsque nous trouvons un trou noir dans cette gamme de masse, cela nous en dit plus sur la façon dont le système s’est formé », a déclaré Olsen, « car il y a de fortes chances qu’un trou noir à écart de masse supérieur soit le produit d’un précédent. fusionnement. »
Les modèles de physique nucléaire suggèrent également que les étoiles ayant moins de deux fois la masse du soleil deviennent des étoiles à neutrons plutôt que des trous noirs, mais presque tous les trous noirs observés ont plus de cinq fois la masse du soleil. Les observations de fusions de faible masse peuvent aider à combler le fossé entre les étoiles à neutrons et les trous noirs les plus légers connus.
Pour les écarts de masse supérieurs et inférieurs, un petit nombre de trous noirs avaient déjà été détectés, mais les nouvelles découvertes montrent que ces types de systèmes sont plus courants que nous ne le pensions, a déclaré Olsen.
Les nouvelles découvertes incluent également un système que les scientifiques n’avaient jamais vu auparavant : un trou noir lourd, tournant dans une direction, engloutissant un trou noir beaucoup plus petit qui l’avait orbité dans la direction opposée. « Le spin du trou noir le plus lourd n’est pas exactement anti-aligné avec l’orbite », dit Olsen, « mais plutôt incliné quelque part entre le côté et l’envers, ce qui nous dit que ce système peut provenir d’une sous-population intéressante de fusions de trous noirs binaires, où les angles entre les orbites du trou noir et les rotations du trou noir sont tous aléatoires.
L’identification d’événements tels que les fusions de trous noirs nécessite une stratégie capable de distinguer les signaux significatifs du bruit de fond dans les données d’observation. Ce n’est pas sans rappeler les applications pour smartphone qui peuvent analyser la musique – même si elle est jouée dans un lieu public bruyant – et identifier la chanson qui est jouée. Tout comme une telle application compare la musique à une base de données de modèles ou aux signaux de fréquence de chansons connues, un programme de recherche d’ondes gravitationnelles compare les données d’observation à un catalogue d’événements connus, comme les fusions de trous noirs.
Pour trouver les 10 événements supplémentaires, Olsen et ses collaborateurs ont analysé les données de LIGO et de Virgo à l’aide du « pipeline IAS », une méthode développée pour la première fois à l’Institute for Advanced Studies et dirigée par Matias Zaldarriagaun astrophysicien de l’IAS qui est également conférencier invité avec le rang de professeur à l’Université de Princeton.
Le pipeline IAS diffère de deux manières importantes de l’approche utilisée par les équipes LIGO et Virgo. Premièrement, il intègre une analyse avancée des données et des techniques numériques pour améliorer le traitement du signal et l’efficacité des calculs. Deuxièmement, il utilise une méthodologie statistique qui sacrifie une certaine sensibilité aux sources les plus courantes afin de gagner en sensibilité aux sources que les approches traditionnelles sont les plus susceptibles de manquer, comme les trous noirs en rotation rapide.
Auparavant, Zaldarriaga et son équipe ont utilisé le pipeline IAS pour analyser les données des exécutions précédentes de la collaboration LIGO-Virgo, et ont identifié de la même manière les fusions de trous noirs qui ont été manquées dans l’analyse de première exécution. Il n’est pas possible de simuler l’univers entier, dit Olsen, ou même l’éventail incroyablement large des façons dont les trous noirs pourraient se former. Mais des outils comme le pipeline IAS, a-t-il dit, « peuvent jeter les bases de modèles encore plus précis à l’avenir ».
Écrit par le Bureau des communications
La source: université de Princeton
