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GWTC-3 : une moisson de nouvelles détections d’ondes gravitationnelles

GWTC-3 : une moisson de nouvelles détections d'ondes gravitationnelles

Du 1er avril 2019 au 27 mars 2020, les détecteurs d’ondes gravitationnelles LIGO et Virgo ont réalisé une observation du ciel dénommée O3. Les 6 derniers mois de cette observation ont permis de détecter 35 évènements astrophysiques : 32 fusions de couples de trous noirs et 3 fusions d’un trou noir avec une étoile à neutrons. Ces 35 nouvelles détections sont décrites dans le catalogue GTWC-3 publié ce 8 novembre 2021.

Du 1er avril 2019 au 27 mars 2020, les détecteurs d’ondes gravitationnelles LIGO et Virgo ont réalisé une observation du ciel (dénommée O3). Les 6 premiers mois de cette période d’observation (O3a) ont fourni 44 évènements détectés qui ont fait l’objet du catalogue GWTC-2.1 publié au mois de juillet 2021 (https://arxiv.org/abs/2108.01045). Les 6 mois suivants (O3b) ont permis d’accumuler 35 évènements supplémentaires : 32 fusions de couples de trous noirs et 3 fusions d’un trou noir avec une étoile à neutrons. Ces 35 nouvelles détections sont décrites dans le catalogue GTWC-3 publié ce 8 novembre 2021 (https://arxiv.org/abs/2111.03606).

Depuis le 14 septembre 2015, date de la première détection d’une onde gravitationnelle, 90 évènements ont été observés par le réseau de détecteurs interférométriques LIGO et Virgo. Tous sont issus de la fusion de deux trous noirs, de deux étoiles à neutrons ou d’un trou noir et d’une étoile à neutrons. [1]

Les 3 fusions étoile à neutrons – trou noir du catalogue GWTC-3, ont les particularités suivantes :

  • GW191219_163120 [2] est un couple très asymétrique formé d’un trou noir de 31.6 masses solaires (31 Mo) et d’une étoile à neutrons de 1.17 masse solaire (1.17 Mo). Cette dernière est l’étoile à neutrons la moins massive observée à ce jour.
  • GW200115_042309 est un couple étoile à neutrons (1.44 Mo) – trou noir (5.9 Mo) déjà largement décrit dans un article scientifique spécifiquement consacré à cette détection publie en juin 2021 (https://iopscience.iop.org/article/...)
  • GW200210_092254 est un couple étoile à neutrons (2.79 Mo) – trou noir (24.6 Mo) similaire au couple GW190814 détecté dans O3a pour lequel on ne sait pas si l’objet compact de 2.79 Mo est une étoile à neutrons très massive ou un trou noir très léger.

Au sein de ce catalogue GWTC-3, certains couples de trous noirs méritent aussi d’être mis en lumière :

  • GW200220_061928 est probablement le couple de trous noirs le plus massif observé pendant O3b : 86 Mo pour l’un et 59 Mo pour l’autre. Leur fusion a formé un trou noir de 141 Mo, qui fait partie des trous noirs de masse intermédiaire, c’est-à-dire entre les trous noirs issus de la mort d’une étoile massive (moins de 100 Mo) et les trous noirs super-massifs que l’on trouve au centre de la plupart des galaxies (plus de 1000000 Mo).
  • GW191129_134029 est le couple de trous noirs le moins massif observé dans O3b : 10.7 Mo et 6.8 Mo
  • GW191204_171526 est un couple de trous noirs (11.9 Mo et 8.2 Mo) pour lequel on a pu estimer de façon quasi-certaine que l’un d’eux au moins tournait sur lui-même, avec un axe de rotation dans la même direction que l’axe de rotation orbitale des deux trous noirs. La première observation d’un tel système était GW151226, décrite au sein du catalogue GTWC-1 publié en septembre 2019 (https://journals.aps.org/prx/abstra...).
  • GW191109_010717 est un système similaire mais plus massif (65 Mo et 47 Mo) et possédant un axe de rotation dans la direction opposée à celle de l’axe orbital. Il est assez rare d’observer de tels objets astrophysiques tournant sur eux-mêmes dans la direction inverse de leur rotation orbitale.

Parmi les 35 détections de O3b, 18 sont des détections réalisées par les analyse en ligne et qui ont donc fait l’objet d’une alerte auprès des télescopes et satellites pour une éventuelle détection d’une contrepartie électromagnétique. Aucune de ces alertes n’a été suivie d’une telle détection. Cela met en lumière la chance exceptionnelle qui a accompagné la détection de la fusion de deux étoiles à neutrons le 17 aout 2017, la seule à ce jour qui fut également vue par les satellites et télescopes.

Aux 35 évènements qui ont été estimées statistiquement significatifs viennent s’ajouter, au sein de GWTC-3, 1048 candidats pour lesquels la probabilité qu’ils soient d’origine astrophysique est plus faible. Cette liste additionnelle permettra à de futures analyses de fournir d’autres évènements ou de permettre aux astronomes de chercher des contreparties optiques à posteriori.

Le catalogue GTWC-3 est accompagné de deux autres publications traitant des conséquences cosmologiques et astrophysiques de ces détections et d’une publication faisant le bilan des coïncidences entre ces évènements d’onde gravitationnelle et des évènements Gamma Ray Burst observes pendant O3b par les satellites. Enfin, GWTC-3 est aussi l’occasion de rendre public l’ensemble des données calibrées enregistrées par LIGO et Virgo sur la période O3b, entre Novembre 2019 et Mars 2020 (https://www.ligo.org/science/Public...)

Comme le catalogue GWTC-2.1, le catalogue GTWC-3 est le fruit d’un énorme travail de construction, de mise au point des détecteurs et d’analyses des données auquel a contribué de façon importante l’équipe Virgo du LAPP.

Toutes les données sont disponibles dans https://www.gw-openscience.org et le catalogue GTWC-3 est publié ici : https://arxiv.org/abs/2111.03606


Cette image montre les 90 fusions de systèmes binaires d’astres compacts qui ont été observées à ce jour par le réseau global formé des détecteurs Advanced LIGO et Advanced Virgo. Chaque case représente un de ces événements dont le nom est indiqué dans la partie basse. Les masses des astres qui ont fusionné (trous noirs ou étoiles à neutrons) et des astres formés lors de ces fusions sont données en masses solaires. La couleur de chaque case indique pendant laquelle des trois prises de données le signal a été détecté : O1 en 2015-2016, O2 en 2016-2017 et O3 en 2019-2020. L’augmentation du taux d’événements pendant O3 est la conséquence de l’amélioration des performances des trois détecteurs du réseau ainsi que des méthodes d’analyse des données. On peut remarquer que le tableau contient en fait 91 cases car il inclut l’événement GW200105 bien que ce dernier signal soit considéré comme marginal (c’est-à-dire que son origine astrophysique est incertaine).


[1] Etoile à neutrons et trou noir sont deux résultats extrêmes de la fin de vie d’une étoile.

[2] Chaque évènement détecté est nommé selon sa date annee_mois_jour (yymmdd) et son horaire heure_minute_seconde (hhmmss) de détection : GWyymmdd_hhmmss