Le 12 Avril, 2019, la collaboration scientifique LIGO et la collaboration Virgo détectaient les ondes gravitationnelles produites par deux trous noirs spiralant l'un autour de l'autre et finissant par fusionner. Cet événement, nommé GW190412, a été observé avec les deux détecteurs LIGO (un à Hanford, Washington et un à Livingston, Louisiane ) et le détecteur Virgo (situé à Cascina, Italie). GW190412 a été détecté dès le début de la troisième campagne d'observation de LIGO et Virgo, appelée O3, qui avait commencé le 1er avril 2019. Elle a été suspendue le 27 mars 2020.
Bien que les masses des deux trous noirs soient cohérentes avec celles des trous noirs observés précédemment, GW190412 est unique, en ce qu'il s'agit de la première fusion de trous noirs dont les masses sont vraiment inégales - un trou noir dans le système est plus 3 fois plus lourd que l'autre. Cette asymétrie dans les masses a un impact sur le signal gravitationnel émis, qui permet de mieux identifier d'autres paramètres, tels que la distance et l'inclinaison du système, sa précession et la rotation sur lui même du trou noir le plus lourd. De plus, les masses inégales de GW190412 nous permettent de vérifier une prédiction fondamentale de la relativité générale d'Albert Einstein: que les ondes gravitationnelles «sonnent» à plusieurs fréquences fondamentales, appelées multipôles supérieurs.
Comment savons-nous que GW190412 est un véritable signal d'onde gravitationnelle?
GW190412 est un signal puissant qui a été observé dans les trois détecteurs. Étant donné que ces trois détecteurs sont tous à des milliers de kilomètres les uns des autres, voir ce signal dans tous les détecteurs quasiment au même instant est un bon signe qu'il est d'origine astrophysique plutôt que dû au bruit des instruments.
La représentation temps-fréquence de GW190412, connue sous le nom de spectrogramme, est illustrée figure 1. Bien que GW190412 soit suffisamment fort pour être vu à l'œil nu dans les données de Hanford et Livingston, nous utilisons un certain nombre d'algorithmes pour analyser systématiquement les données. La plupart des techniques reposent sur un filtrage adapté, qui compare les données observées aux signaux simulés dans le cadre de la relativité générale. En fait ce que nous quantifions est la probabilité que le signal soit le fait du bruit dans les détecteurs. On appelle cette quantité le taux de fausse alarme. En utilisant les données du 8 avril au 18 avril, nous avons trouvé que le bruit pourrait produire un événement de ce style tous les 30 000 ans ! Ce taux de fausses alarmes devra devenir encore plus grand à mesure que l'analyse pourra prendre en compte davantage de données d'O3. Nous avons également effectué des vérifications pour d'autres types de sources de bruit instrumentaux et environnementaux, et nous n'avons rien trouvé qui pourrait avoir un impact significatif sur la détection ou l'analyse de GW190412.
Propriétés de GW190412
Les masses individuelles des deux trous noirs dans GW190412 sont cohérentes avec ce qui avait été observé lors des précédentes périodes d'observation - un trou noir a environ 30 fois la masse du Soleil, et l'autre environ 8 fois la masse du Soleil. Cependant, le rapport de masse de GW190412, défini comme le rapport entre la masse du trou noir le plus légèr et la masse du trou noir le plus lourd, ne ressemble à aucune des autres fusions de trous noirs précédentes . Celles-ci étaient cohérentes avec des masses égales pour les deux trous noirs, alors que, dans GW190412, le plus gros trou noir fait plus de trois fois la masse du plus petit trou noir.
Les masses inégales de GW190412 conduisent à une asymétrie dans l'émission des ondes gravitationnelles qui nous aide à mieux déduire certains paramètres particuliers du système. Nous constatons que le spin efficace était positif, ce qui nous indique qu'au moins un des trous noirs tournait dans une orientation proche de l'orbite des deux trous noirs l'un autour de l'autre. Notamment, en raison des masses inégales de GW190412, nous pouvons pour la première fois imposer de fortes contraintes sur la rotation du plus grand trou noir, que nous constatons tourner à environ 40% du spin maximal autorisé par la relativité générale. Le rapport effectif de spin et de masse déduit pour GW190412 est illustré à la figure 2. Nous voyons également des signes marginaux de précession du système, bien que les effets de la précession ne soient pas suffisamment forts pour être établis de façon sure. De plus, l'inégalité des masses contribue à lever une ambiguïté entre la distance et l'inclinaison du système, permettant une meilleure mesure de chacun des deux paramètres. GW190412 s'est produit à près de 2,5 milliards d'années-lumière de la Terre !
Entendre le bourdonnement des harmoniques supérieures
Les propriétés uniques du GW190412 permettent également d'observer une propriété fondamentale des ondes gravitationnelles. Depuis les travaux pionniers d'Einstein, puis affinés par Newman, Penrose, Thorne et bien d'autres, on sait que le rayonnement gravitationnel des binaires compactes est principalement quadripolaire. Ce rayonnement quadripolaire peut être considéré comme le son principal entendu lorsque l'on pince une corde de guitare. Cependant, tout comme les instruments de musique, le rayonnement gravitationnel possède également des harmoniques plus élevées. Ces harmoniques supérieures ou multipôles supérieurs sont exceptionnellement difficiles à analyser à partir du signal de trous noirs aux masses semblables. Les masses asymétriques de GW190412 permettent à ces signaux subtils d'être mieux « entendus ». Nous constatons que les données soutiennent la présence de ces harmoniques, par un facteur supérieur à 1000:1. À l'avenir, l'intensité relative des multipôles plus élevés pourrait aider à mieux démêler les propriétés des trous noirs coalescents.
Une série de tests a également été effectuée pour déterminer si GW190412 est compatible avec la relativité générale. Aucune incohérence avec la relativité générale n'a été trouvée.
Formation d'un trou noir binaire de masse inégale
Chaque série d'observation du réseau Advanced LIGO et Virgo a apporté des informations nouvelles et passionnantes sur le zoo des binaires compactes. En tant que premier système de trous noirs binaires de masses très inégales, GW190412 est un évenement important pour notre compréhension des propriétés des populations de trous noirs binaires. Il nous indique que les systèmes de trous noirs possèdant des masses inégales sont relativement communs, et que nous devrions nous attendre à en observer bien davantage à l'avenir.
Les astronophysiciens se sont servis des modèles d'évolutions stellaire pour comprendre la façon dont les couples de trous noirs se forment dans l'univers, et déduire leurs masses et d'autres propriétés. Bien que la plupart des modèles prédisent que les binaires devraient surtout posséder des masses presque égales, beaucoup prédisent également un nombre appréciable de systèmes comme GW190412 avec des masses clairement inégales. On devrait trouver moins d'un système sur 10 avec des masses inégales. De fait, l'observation de GW190412 n'est donc pas inattendue, étant donné que nous avons maintenant détecté bien plus de 10 événements. Alors que nous continuons d'augmenter la sensibilité des instruments, et construisons un catalogue en pleine croissance de fusions de binaires compactes, nous nous attendons à observer à l'avenir de nombreux autres systèmes qui éclaireront encore mieux l'évolution stellaire, la formation des binaires et la physique fondamentale.
