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GW190412 : une fusion de deux trous noirs de masses très différentes

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GW190412 : une fusion de deux trous noirs de masses très différentes

La troisième campagne de prise de données commune à LIGO et Virgo (le run O3) apporte un nouvel éclairage sur les dernières orbites et la fusion de systèmes binaires de trous noirs. La première onde gravitationnelle détectée en 2015, GW150914, avait été émise lors de la fusion de deux trous noirs ; ce type de source s’est depuis affirmé comme le plus courant. Leur étude apporte des progrès sur la caractérisation des populations de trous noirs astrophysiques. Cependant, les systèmes observés jusqu’à présent étaient toujours formés de deux trous noirs de masses sensiblement égales. Cet état de fait a été rompu par l’observation de la fusion d’un système binaire très particulier le 12 avril 2019 à 07:30:44 heure de Paris, à peine deux semaines après le début du run O3, le 1er avril.

Le signal, dénommé GW190412, a été détecté par trois détecteurs : Advanced Virgo et les deux instruments Advanced LIGO. Il a été produit par la fusion d’un système binaire de trous noirs avec des masses très différentes : l’un des deux astres est environ 3 à 4 fois plus massif que l’autre. On estime que les trous noirs qui ont fusionné avaient des masses de l’ordre de 30 et 8 fois la masse du Soleil. La disparité des masses produit des modulations spécifiques des ondes gravitationnelles émises, prédites en théorie et qui ont maintenant été observées pour la première fois. Plus précisément, la différence de masses amplifie de manière inhabituelle la production de « Modes d’Ordres Supérieurs » d’ondes gravitationnelles, des signaux qui sont détectables pour GW190412 et fournissent ainsi une nouvelle confirmation de la Relativité Générale d’Einstein. Ces modes permettent aussi de déterminer plus précisément l’inclinaison du plan de rotation du système par rapport à la ligne de pointé ainsi que la distance de la source, En général, ces deux quantités sont fortement couplées mais ici les modes d’ordre supérieur permettent de les déterminer partiellement indépendamment l’une de l’autre. La distance la plus probable est d’environ 700 Mpc, soit 2,3 milliards d’années-lumière.

La différence de masse observée entre les deux objets du système est également une surprise. La plupart des fusions observées ont pour origine des systèmes binaires dont les masses devraient être théoriquement proches. Or il semble que dans le cas de GW190412 il faille trouver un autre mécanisme de formation. « Les détecteurs Virgo et LIGO deviennent de plus en plus sensibles, le taux de détection augmente et nous nous attendons à observer des événements nouveaux ou inattendus. GW190412 est inhabituel et intéressant, à cause de la grande différence de masse entre les deux trous noirs qui ont fusionné. Nous découvrons que de tels systèmes existent et en apprenons plus sur leur rareté. Cela nous permettra de comprendre comment ils se sont formés, une question qui me passionne », nous explique Giancarlo Cella, chercheur à l’Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (INFN) italien et actuellement Coordinateur de l’analyse de données pour la Collaboration Virgo.

« Les masses très différentes de cette source d’ondes gravitationnelles ont rendu visibles les harmoniques du signal principal pour la toute première fois. Cela nous a fourni une opportunité formidable de tester une prédiction importante de la théorie d’Einstein sur ce qui se passe quand deux trous noirs de tailles différentes se percutent », ajoute Anuradha Samajdar, chercheur post-doctorant au National Institute for Subatomic Physics (Nikhef) néerlandais et membre de la Collaboration Virgo.

« L’analyse de ce signal gravitationnel est un bel exemple de collaboration fructueuse entre de nombreux scientifiques. La modélisation théorique du signal est ici particulièrement importante car elle permet de réaliser une analyse fine du signal et d’en révéler des détails passés jusqu’ici inaperçus : les modes d’ordre supérieurs. Ceci, combiné à l’arsenal des algorithmes d’analyse, a permis l’observation de cette binaire composée de trous noirs de masses très différentes et la mesure du spin du trou noir primaire, qui pourraient en retour avoir des implications astrophysiques très intéressantes. » explique Stanislas Babak, directeur de recherches au CNRS/IN2P3, laboratoire Astroparticule et Cosmologie à Paris.

Distance estimée pour la source de GW191412 en fonction de l’angle d’inclinaison du plan de l’orbite du système binaire par rapport à la ligne de pointé. En général, ces deux quantités sont fortement corrélées mais ici les masses des deux trous noirs très différentes permettent de les déterminer partiellement indépendamment l’une de l’autre. La distance la plus probable est d’environ 700 Mpc, soit 2,3 milliards d’années-lumière. © EGO-Virgo