La fusion des trous noirs est une classe d’objets qui crée des ondes gravitationnelles de certaines fréquences… et amplitudes. Grâce à des détecteurs comme LIGO, nous pouvons « entendre » ces sons au fur et à mesure qu’ils se produisent.
LIGO, NSF, A. Simonnet (SSU)
On dit depuis longtemps qu’il n’y a pas de son dans l’espace, et c’est vrai, jusqu’à un certain point. Le son conventionnel nécessite un médium pour se déplacer et est créé lorsque les particules se compressent et se raréfient, allant d’un « bang » fort pour une seule impulsion à un ton cohérent pour répéter des motifs. Dans l’espace, où il y a si peu de particules que de tels signaux disparaissent, même les éruptions solaires, les supernovae, les fusions de trous noirs et autres catastrophes cosmiques se taisent avant même d’être entendues. Mais il existe un autre type de compression et de raréfaction qui ne nécessite rien d’autre que le tissu de l’espace lui-même pour voyager: les ondes gravitationnelles. Grâce aux premiers résultats de détection positifs de LIGO, nous entendons l’Univers pour la toute première fois.
Deux trous noirs fusionnés. Les résultats inspiraux dans les trous noirs se réunissent, tandis que… les ondes gravitationnelles emportent l’excès d’énergie. L’espace-temps d’arrière-plan est déformé en conséquence.
SXS, le projet de Simulation d’espaces extrêmes (SXS) (http://www.black-holes.org)
Les ondes gravitationnelles devaient exister pour que notre théorie de la gravité soit cohérente, selon la Relativité générale. Contrairement à la gravité de Newton, où deux masses en orbite l’une autour de l’autre resteraient dans cette configuration pour toujours, la théorie d’Einstein prédit que sur assez longtemps, les orbites gravitationnelles se désintégreraient. Pour quelque chose comme la Terre en orbite autour du Soleil, vous ne vivriez jamais pour en faire l’expérience: il faudrait 10 ^ 150 ans pour que la Terre se transforme en spirale dans le Soleil. Mais pour des systèmes plus extrêmes, comme deux étoiles à neutrons en orbite l’une autour de l’autre, nous pourrions en fait voir les orbites se désintégrer avec le temps. Afin de conserver l’énergie, la théorie de la gravité d’Einstein prédit que l’énergie doit être emportée sous forme d’ondes gravitationnelles.
Alors que deux étoiles à neutrons orbitent l’une sur l’autre, la théorie de la relativité générale d’Einstein prédit l’orbitale… désintégration, et l’émission de rayonnement gravitationnel. Le premier a été observé très précisément pendant de nombreuses années, comme en témoigne la très bonne correspondance entre les points et la ligne (prédiction GR).
NASA (L), Institut Max Planck de radioastronomie / Michael Kramer
Ces ondes sont incroyablement faibles et leurs effets sur les objets dans l’espace-temps sont incroyablement minuscules. Mais si vous savez les écouter — tout comme les composants d’une radio savent écouter ces ondes lumineuses à longue fréquence – vous pouvez détecter ces signaux et les entendre comme vous entendriez n’importe quel autre son. Avec une amplitude et une fréquence, elles ne sont pas différentes des autres ondes. La relativité générale fait des prédictions explicites de ce à quoi devraient ressembler ces ondes, les plus grands signaux générateurs d’ondes étant les plus faciles à détecter. La plus grande amplitude sonne tous? C’est le « gazouillis » inspirant et fusionnant de deux trous noirs qui se spiralent l’un dans l’autre.
En septembre 2015, quelques jours seulement après que advanced LIGO a commencé à collecter des données pour la première fois, un signal important et inhabituel a été repéré. Cela a surpris tout le monde, car il aurait transporté tellement d’énergie en seulement une courte rafale de 200 millisecondes, qu’il aurait surpassé toutes les étoiles de l’Univers observable combinées. Pourtant, ce signal s’est avéré robuste, et l’énergie de cette rafale provenait de deux trous noirs — de 36 et 29 masses solaires — fusionnant en un seul trou de 62 masses solaires. Ces trois masses solaires manquantes ? Ils ont été convertis en énergie pure: des ondes gravitationnelles ondulant à travers le tissu de l’espace. C’était le premier événement que LIGO ait jamais détecté.
Le signal de LIGO de la première détection robuste d’ondes gravitationnelles. La forme d’onde n’est pas seulement… une visualisation; c’est représentatif de ce que vous entendrez réellement si vous écoutiez correctement.
Observation d’Ondes Gravitationnelles à partir d’une Fusion de Trous Noirs Binaires B. P. Abbott et al., (Collaboration scientifique LIGO et Collaboration Virgo), Physical Review Letters 116, 061102 (2016)
Maintenant, c’est plus d’un an plus tard, et LIGO en est actuellement à sa deuxième exécution. Non seulement d’autres fusions trou noir-trou noir ont été détectées, mais l’avenir de l’astronomie des ondes gravitationnelles est prometteur, car de nouveaux détecteurs ouvriront nos oreilles à de nouveaux types de sons. Les interféromètres spatiaux, comme LISA, auront des lignes de base plus longues et entendront des sons de plus basse fréquence: des sons comme des fusions d’étoiles à neutrons, des trous noirs supermassifs et des fusions avec des masses très inégales. Les réseaux de synchronisation des pulsars peuvent mesurer des fréquences encore plus basses, comme des orbites qui prennent des années à compléter, comme la paire de trous noirs supermassifs: OJ 287. Et des combinaisons de nouvelles techniques rechercheront les ondes gravitationnelles les plus anciennes de toutes, les ondes reliques prédites par l’inflation cosmique, jusqu’au début de notre Univers.
Les ondes gravitationnelles générées par l’inflation cosmique sont le signal le plus lointain que l’humanité puisse avoir dans le temps… concevoir de détecter potentiellement. Des collaborations comme BICEP2 et NANOgrav pourraient indirectement le faire dans les décennies à venir.
Programme BICEP2 financé par la National Science Foundation (NASA, JPL, Fondation Keck, Fondation Moore, apparentées); modifications par E. Siegel
Il y a tellement de choses à entendre, et nous venons tout juste de commencer à écouter pour la première fois. Heureusement, l’astrophysicienne Janna Levin – auteure du livre fantastique Black Hole Blues and Other Songs from Outer Space — est prête à donner la conférence publique à l’Institut Périmètre ce soir, le 3 mai, à 19 h (Est)/16 H (Pacifique), et elle sera diffusée en direct ici et bloguée en direct par moi en temps réel! Rejoignez-nous alors pour en savoir plus sur ce sujet incroyable, et j’ai hâte de l’entendre parler.
Le blog en direct commencera quelques minutes avant 16h00 Pacifique; rejoignez-nous ici et suivez-nous!
La déformation de l’espace-temps, dans l’image relativiste générale, par des masses gravitationnelles.
LIGO/T. Pyle
15h50: Il reste dix minutes avant l’heure du spectacle, et pour célébrer, voici dix faits amusants (ou autant que possible) sur la gravité et les ondes gravitationnelles.
1.) Au lieu de « l’action à distance », où une force invisible s’exerce entre les masses, la relativité générale dit que la matière et l’énergie déforment le tissu de l’espace-temps, et que l’espace-temps déformé est ce qui se manifeste comme la gravitation.
2.) Au lieu de voyager à une vitesse infinie, la gravitation ne se déplace qu’à la vitesse de la lumière.
3.) Ceci est important, car cela signifie que si des changements surviennent dans la position, la configuration, le mouvement d’un objet massif, etc., les changements gravitationnels qui en découlent ne se propagent qu’à la vitesse de la lumière.
Simulation par ordinateur de deux trous noirs fusionnant produisant des ondes gravitationnelles.
Werner Benger, cc by-sa 4.0
15:54:4.) Cela signifie que les ondes gravitationnelles, par exemple, ne peuvent se propager qu’à la vitesse de la lumière. Lorsque nous « détectons » une onde gravitationnelle, nous détectons le signal à partir du moment où cette configuration de masse a changé.
5.) Le premier signal détecté par LIGO s’est produit à une distance d’environ 1,3 milliard d’années-lumière. L’Univers était environ 10% plus jeune qu’aujourd’hui lorsque cette fusion a eu lieu.
Les ondulations dans l’espace-temps sont ce que sont les ondes gravitationnelles.
Observatoire gravitationnel européen, Lionel BRET /EUROLIOS
6.) Si la gravitation voyageait à une vitesse infinie, les orbites planétaires seraient complètement instables. Le fait que les planètes se déplacent en ellipses autour du Soleil impose que si la Relativité générale est correcte, la vitesse de gravité doit être égale à la vitesse de la lumière avec une précision d’environ 1%.
15h57:7.) Il y a beaucoup, beaucoup plus de signaux d’ondes gravitationnelles que ce que LIGO a vu jusqu’à présent; nous n’avons détecté que le signal le plus facile à détecter.
8.) Ce qui rend un signal « facile » à voir est une combinaison de son amplitude, c’est-à-dire de sa capacité à déformer une longueur de trajet, ou une distance dans l’espace, ainsi que sa fréquence.
Une illustration simplifiée du système d’interféromètre laser de LIGO.
Collaboration LIGO
9.) Parce que les bras de LIGO ne font que 4 kilomètres de long et que les miroirs réfléchissent la lumière des milliers de fois (mais pas plus), cela signifie que LIGO ne peut détecter que des fréquences de 1 Hz ou plus.
Plus tôt cette année, LIGO a annoncé la toute première détection directe d’ondes gravitationnelles. Par… en construisant un observatoire d’ondes gravitationnelles dans l’espace, nous pourrons peut-être atteindre les sensibilités nécessaires pour détecter un signal extraterrestre délibéré.
ESA/NASA et la collaboration LISA
10.) Pour des signaux plus lents, nous avons besoin de bras de levier plus longs et de plus grandes sensibilités, ce qui signifie aller dans l’espace. C’est l’avenir de l’astronomie des ondes gravitationnelles !
16h01: Nous avons réussi ! Il est temps de commencer et de présenter Janna Levin! (Prononcez « JAN-na », pas « YON-na », si vous vous demandiez.)
L’inspiral et la fusion de la première paire de trous noirs jamais directement observés.
B. P. Abbott et coll. (Collaboration scientifique LIGO et Collaboration Vierge)
16h05: Voici la grande annonce / coup: le premier enregistrement direct de la première onde gravitationnelle. Il a fallu 100 ans après qu’Einstein ait présenté la relativité générale pour la première fois, et elle joue un enregistrement! Assurez-vous d’aller écouter! Que signifie « entendre » un son dans l’espace, après tout, et pourquoi est-ce un son? C’est le but, dit-elle, de son discours.
Les galaxies Maffei 1 et Maffei 2, dans le plan de la Voie Lactée, ne peuvent être révélées qu’en voyant… à travers la poussière de la Voie Lactée. Bien qu’elles soient parmi les grandes galaxies les plus proches de toutes, elles n’ont été découvertes qu’au milieu du 20e siècle.
WISE mission;NASA/JPL-Caltech/UCLA
16h08: Si vous considérez ce qui existe dans l’Univers, nous n’avions aucun moyen de le savoir à l’époque de Galileo. Nous pensions aux taches solaires, à Saturne, etc., et étaient complètement incapables de concevoir les grandes échelles ou distances cosmiques. Oubliez « concevoir d’autres galaxies », nous n’avions rien conçu de tout cela!
16h10: Janna montre une de mes vidéos préférées (que je reconnais) du Sloan Digital Sky Survey! Ils ont pris un relevé de 400 000 galaxies les plus proches et les ont cartographiées en trois dimensions. C’est à cela que ressemble notre Univers (proche), et comme vous pouvez le voir, c’est vraiment surtout de l’espace vide!
Le système de classification spectrale (moderne) de Morgan–Keenan, avec la plage de température de chaque étoile… classe indiquée au-dessus, en kelvin.
Utilisateur de Wikimedia Commons LucasVB, ajouts par E. Siegel
16h12: Elle fait un très bon point qu’elle passe totalement sous silence: seulement environ 1 étoile sur 1000 deviendra un trou noir. Il y a plus de 400 étoiles à moins de 30 années-lumière de nous, et zéro d’entre elles sont des étoiles O ou B, et zéro d’entre elles sont devenues des trous noirs. Ces étoiles les plus bleues, les plus massives et les plus courtes sont les seules à se transformer en trous noirs.
Le comportement identique d’une balle tombant au sol dans une fusée accélérée (à gauche) et sur Terre… (à droite) est une démonstration du principe d’équivalence d’Einstein.
Markus Poessel, utilisateur de Wikimedia Commons, retouché par Pbroks13
16h15 : Quand on considère « d’où vient la théorie d’Einstein « , Janna fait un grand point : l’idée du principe d’équivalence. Si vous avez de la gravité, vous pourriez considérer que vous vous sentez « lourd » sur votre chaise, par exemple. Mais cette réaction que vous avez est exactement la même réaction que vous ressentiriez si vous accélériez plutôt que de graviter. Ce n’est pas la gravité que vous ressentez, ce sont les effets de la matière qui vous entoure!
16h17 : Le groupe OKGO a fait une vidéo volant dans la comète vomit. Janna ne peut pas tout montrer, avec de l’audio, pour des raisons de droits d’auteur, et le recommande vivement. Heureusement pour vous, grâce à Internet… le voilà ! Profitez à votre guise!
Voyager une fois autour de l’orbite terrestre dans une trajectoire autour du Soleil représente un voyage de 940 millions de kilomètres.
Larry McNish au RASC Calgary Centre
16h19:Il y a une autre grande révélation pour gravity: la façon dont nous comprenons comment les choses fonctionnent vient de regarder comment les choses tombent. La Lune « tombe » autour de la Terre; Newton s’en est rendu compte. Mais la Terre tombe autour du Soleil; le Soleil « tombe » autour de la galaxie; et les atomes « tombent » ici sur Terre. Mais la même règle s’applique à tous, tant qu’ils sont tous en chute libre. Incroyable!
Les trous noirs sont quelque chose avec lequel l’Univers n’est pas né, mais qui s’est développé au fil du temps. Ils… dominez maintenant l’entropie de l’Univers.
Kra Kraus, Groupe d’enseignement de la physique Kraus, Universität Hildesheim; Axel Mellinger (arrière-plan)
16h21: Voici une révélation amusante: arrêtez de penser à un trou noir comme de la matière effondrée et écrasée, même si c’est peut-être ainsi qu’il est né. Au lieu de cela, pensez-y simplement comme une région d’espace vide avec de fortes propriétés gravitationnelles. En fait, si tout ce que vous faisiez était d’attribuer une « masse » à cette région de l’espace, cela définirait parfaitement un trou noir de Schwarzschild (non chargé, non rotatif).
Le trou noir supermassif (Sgr A*) au centre de notre galaxie est enveloppé d’une couche gazeuse et poussiéreuse… environnement. Les rayons X et les observations infrarouges peuvent partiellement le voir, mais les ondes radio pourraient finalement le résoudre directement.
Observatoire de rayons X Chandra de la NASA
16h23: Si vous deviez tomber dans un trou noir de la masse du Soleil, vous auriez environ une microseconde, de la traversée de l’horizon des événements (selon Janna) jusqu’à ce que vous soyez écrasé à mort à la singularité. Cela est cohérent avec ce que j’ai calculé une fois, où, pour le trou noir au centre de la Voie Lactée, nous aurions environ 10 secondes. Puisque le trou noir de la Voie Lactée est 4 000 000 fois plus massif que notre Soleil, le calcul fonctionne!
Joseph Weber avec son détecteur d’ondes gravitationnelles à un stade précoce, connu sous le nom de barre de Weber.
Collections spéciales et archives universitaires, bibliothèques de l’Université du Maryland
16h26: Comment détecteriez-vous une onde gravitationnelle? Honnêtement, ce serait comme être à la surface de l’océan; vous monteriez et descendriez le long de la surface de l’espace, et il y avait un gros argument dans la communauté pour savoir si ces vagues étaient réelles ou non. Ce n’est que lorsque Joe Weber est arrivé et a décidé d’essayer de mesurer ces ondes gravitationnelles, à l’aide d’un appareil phénoménal – une barre en aluminium – qui vibrait si une onde ondulante « pincait » très légèrement la barre.
Weber a vu de nombreux signaux de ce type qu’il a identifiés avec des ondes gravitationnelles, mais ceux-ci, malheureusement, n’ont jamais été reproduits ou vérifiés. Malgré toute son intelligence, il n’était pas un expérimentateur très prudent.
16h29: Il y a une bonne question de Jon Groubert sur twitter: « J’ai une question sur quelque chose qu’elle a dit – il y a quelque chose à l’intérieur d’un trou noir, n’est-ce pas? Comme une étoile à neutrons lourds. »Il devrait y avoir une singularité, qui est soit ponctuelle (pour une singularité non rotative), soit un anneau unidimensionnel (pour une singularité rotative), mais pas de matière tridimensionnelle condensée, effondrée.
Pourquoi pas?
Parce que pour rester en tant que structure, une force doit se propager et être transmise entre les particules. Mais les particules ne peuvent transmettre des forces qu’à la vitesse de la lumière. Mais rien, pas même la lumière, ne peut se déplacer « vers l’extérieur » vers la sortie d’un trou noir ; tout se déplace vers la singularité. Et donc rien ne peut se retenir, et tout s’effondre dans la singularité. Triste, mais la physique rend cela inévitable.
De gauche à droite : les deux détecteurs LIGO (à Hanford et Livingston, États-Unis) et le détecteur Virgo… (Cascina, Italie).
©Laboratoire LIGO (deux premières images) et Virgo / Nicola Baldocchi 2015
16h32: Après les échecs de Weber (et la chute de la célébrité), l’idée de LIGO est venue de Rai Weiss dans les années 1970. Il a fallu plus de 40 ans pour que LIGO se concrétise (et plus de 1 000 personnes pour y arriver), mais le plus fantastique était que cela était possible expérimentalement. En faisant deux bras de levier très longs, vous pouviez voir l’effet d’une onde gravitationnelle qui passait.
16h34: Voici ma vidéo préférée illustrant ce que fait une onde gravitationnelle. Il déplace l’espace lui-même (et tout ce qu’il contient) d’avant en arrière d’une infime quantité. Si vous avez un interféromètre laser configuré (comme LIGO), il peut détecter ces vibrations. Mais si vous étiez assez près et que vos oreilles étaient assez sensibles, vous pourriez sentir ce mouvement dans votre tympan!
16h35: J’ai de très bons écouteurs, Perimeter, mais malheureusement, je n’entends pas les différents signaux du modèle d’ondes gravitationnelles que joue Janna!
L’Observatoire LIGO Hanford pour la détection des ondes gravitationnelles dans l’État de Washington, aux États-Unis.
Laboratoire Caltech/MIT/LIGO
16h38: C’est drôle de penser qu’il s’agit du vide le plus avancé au monde, à l’intérieur des détecteurs LIGO. Pourtant, oiseaux, rats, souris, etc., sont tous là-dessous, et ils se frayent un chemin dans presque la chambre à vide que la lumière traverse. Mais si le vide avait été rompu (il est constant depuis 1998), l’expérience aurait été terminée. En Louisiane, des chasseurs ont tiré sur les tunnels de LIGO. Il est horrible de voir à quel point cet équipement est sensible et coûteux, mais à quel point tout cela est aussi fragile.
16h41: Janna fait un très bon travail en racontant cette histoire d’une manière pleine de suspense mais très humaine. Nous n’avons vu que les dernières orbites de deux trous noirs en orbite, considérablement ralenties dans le film ci-dessus. Ils n’étaient distants que de quelques centaines de kilomètres, ces quatre dernières orbites ont pris 200 millisecondes, et c’est l’intégralité du signal que LIGO a vu.
16h43: Si vous avez du mal à écouter /entendre les événements de la conférence, écoutez cette vidéo (ci-dessus), à la fois en hauteur naturelle et en hauteur augmentée. Les trous noirs plus petits (environ 8 et 13 masses solaires) du 26 décembre 2015 sont à la fois plus silencieux et plus aigus que les plus grands (29 et 36 masses solaires) du 14 septembre de la même année.
16h46 : Juste une petite correction: Janna dit que c’était l’événement le plus puissant jamais détecté depuis le Big Bang. Et ce n’est que techniquement vrai, à cause des limites de notre détection.
Lorsque nous obtenons des fusions de trous noirs, environ 10% de la masse du trou noir le moins massif d’une paire de fusions est convertie en énergie pure via E = mc2 d’Einstein. 29 masses solaires, c’est beaucoup, mais il va y avoir des trous noirs de centaines de millions, voire de milliards de masses solaires qui ont fusionné ensemble. Et nous avons des preuves.
Le signal binaire de trou noir le plus massif jamais vu : OJ 287.
L. Zola &NASA/JPL
16h49 : Il s’agit du JO 287, où un trou noir de 150 millions de masse solaire orbite autour d’un trou noir de ~18 milliards de masse solaire. Il faut 11 ans pour qu’une orbite complète se produise, et la Relativité générale prédit une précession de 270 degrés par orbite ici, contre 43 secondes d’arc par siècle pour Mercure.
16h51 : Janna a fait un travail incroyable qui s’est terminé à l’heure ici ; Je n’ai jamais vu une conversation d’une heure se terminer au bout de 50 minutes lors d’une conférence publique du Périmètre. Ça alors!
La Terre vue d’un composite d’images satellites de la NASA depuis l’espace au début des années 2000.
NASA/Blue Marble Project
16h52: Que se passerait-il si la Terre était aspirée dans un trou noir? (Q & Une question de Max.) Bien que Janna donne une excellente réponse, j’aimerais souligner que, du point de vue des ondes gravitationnelles, la Terre serait déchiquetée, et nous obtiendrions un signal d’onde « étalé », ce serait un signal statique beaucoup plus bruyant. Une fois la Terre avalée, l’horizon des événements ne se développerait qu’un tout petit peu, car les trois millionièmes de masse solaire supplémentaires augmentaient le rayon du trou noir de cette minuscule quantité correspondante.
16h55: Quelle conversation amusante, une session géniale et accrocheuse Q& Une session et une expérience géniale dans l’ensemble. Profitez-en encore et encore, car la vidéo de la conférence est maintenant intégrée sous forme de permalien. Et merci de vous être mis au courant!