La fusion de trous noirs la plus massive jamais observée détectée grâce à LIGO

• La collaboration LIGO-Virgo-KAGRA a détecté la fusion de trous noirs la plus massive jamais observée via les ondes gravitationnelles
• Cette fusion a formé un trou noir équivalant à environ 225 masses solaires
• Cet événement atteint une masse trop élevée pour être expliquée par les théories standards de l’évolution stellaire, mettant à l’épreuve les limites de la théorie et de l’observation
• Selon les scientifiques concernés, la rotation rapide et l’analyse complexe du signal devraient faire progresser la recherche sur les trous noirs ainsi que le développement d’algorithmes
• Cette observation marque un nouveau tournant pour l’analyse de données, les technologies instrumentales et les avancées théoriques en astronomie des ondes gravitationnelles

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Détection par LIGO, Virgo et KAGRA de la fusion de trous noirs la plus massive jamais observée

La collaboration LIGO-Virgo-KAGRA (LVK) a découvert, à l’aide des observatoires LIGO soutenus par la National Science Foundation (NSF) des États-Unis, la fusion de trous noirs la plus massive jamais observée par ondes gravitationnelles. Le trou noir final formé lors de cette fusion atteindrait environ 225 masses solaires. Le signal d’onde gravitationnelle, baptisé GW231123, a été détecté le 23 novembre 2023 pendant la quatrième campagne d’observation du réseau LVK.

Histoire et évolution de LIGO

LIGO avait déjà attiré l’attention en 2015 en réussissant la première observation directe d’ondes gravitationnelles, détectant alors un trou noir de 62 masses solaires après une collision de trous noirs. Les deux détecteurs jumeaux de LIGO, situés à Livingston en Louisiane et à Hanford dans l’État de Washington, avaient capté conjointement ce signal. Par la suite, LIGO s’est associé à Virgo en Italie et à KAGRA au Japon pour former la collaboration LVK. Depuis 2015, plus de 300 événements de fusion de trous noirs ont été observés au cours de quatre campagnes d’observation.

Un nouvel événement record

Jusqu’ici, la fusion de trous noirs la plus massive était l’événement GW190521 de 2021, avec une masse totale équivalant à 140 fois celle du Soleil. Dans le cas de GW231123, deux trous noirs d’environ 100 et 140 masses solaires ont fusionné pour donner naissance à un trou noir de 225 masses solaires. Ces trous noirs seraient en rotation extrêmement rapide.

Selon Mark Hannam, membre de la collaboration LVK, « ce système binaire de trous noirs observé est difficile à expliquer avec les théories actuelles de l’évolution stellaire, et pourrait suggérer une origine liée à des fusions hiérarchiques de trous noirs plus petits ». Dave Reitze de LIGO a déclaré que « l’observation des ondes gravitationnelles a permis de grands progrès dans la compréhension de la nature des trous noirs et des propriétés exotiques de l’Univers ».

Un record qui pose des défis scientifiques

La masse très élevée et la rotation extrême observées dans GW231123 mettent à l’épreuve les limites actuelles des techniques de détection des ondes gravitationnelles et des modèles théoriques. La rotation, proche de la limite autorisée par la relativité générale d’Einstein, rend l’interprétation du signal et sa modélisation particulièrement difficiles. Charlie Hoy, de l’université de Portsmouth, estime que « ce cas offre une occasion majeure de faire progresser les outils théoriques et le développement d’algorithmes ».

Les chercheurs estiment qu’il faudra plusieurs années pour décoder complètement le motif et la signification de ce signal. Gregorio Carullo, de l’université de Birmingham, analyse que « la fusion elle-même reste l’explication la plus probable, mais la complexité du phénomène, qui échappe aux théories existantes, laisse aussi entrevoir des pistes vers de nouvelles interprétations ».

Repousser les limites de l’astronomie des ondes gravitationnelles

Les détecteurs d’ondes gravitationnelles comme LIGO, Virgo et KAGRA mesurent les infimes déformations de l’espace-temps provoquées par des phénomènes physiques gigantesques dans l’Univers. Cette quatrième campagne d’observation a débuté en mai 2023, et des données supplémentaires doivent être publiées à l’été 2024. Sophie Bini, de Caltech, explique que « cet événement constitue un exemple concret de dépassement des limites actuelles de l’analyse de données et des technologies instrumentales, et suggère de nombreuses possibilités pour les futures recherches en astronomie des ondes gravitationnelles ».

Les résultats concernant GW231123 doivent être présentés lors de la conférence GR24/Amaldi, qui se tiendra à Glasgow, en Écosse, du 14 au 18 juillet 2025. Les données d’étalonnage utilisées pour GW231123 seront publiées via le Gravitational Wave Open Science Center (GWOSC), afin que des scientifiques du pays et de l’étranger puissent les exploiter dans des recherches complémentaires.

Présentation de la collaboration LIGO-Virgo-KAGRA

• LIGO est exploité par Caltech et le MIT avec le soutien de la NSF américaine, et reçoit un appui majeur de l’Allemagne (Max Planck Society), du Royaume-Uni (Science and Technology Facilities Council) et de l’Australie (Australian Research Council). Plus de 1 600 scientifiques du monde entier y participent
• Virgo Collaboration regroupe environ 880 personnes issues de 152 institutions dans 17 pays d’Europe. Le détecteur Virgo, situé près de Pise en Italie, est soutenu conjointement par l’EGO (Observatoire gravitationnel européen), le CNRS, l’INFN (Institut national italien de physique nucléaire) et Nikhef (Institut national néerlandais de physique subatomique)
• KAGRA est situé à Kamioka, dans la préfecture de Gifu au Japon, avec un interféromètre laser souterrain de 3 km. Le projet est codirigé par l’ICRR (Institute for Cosmic Ray Research) de l’université de Tokyo, l’Observatoire astronomique national du Japon (NAOJ) et le KEK (Organisation de recherche sur les accélérateurs de haute énergie). Plus de 400 personnes issues de 128 institutions dans 17 pays et régions y participent

Des informations complémentaires et des documents de recherche sont disponibles sur les sites officiels de chaque institution.

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Commentaires sur Hacker News

• Un trou noir d’environ 225 masses solaires implique qu’il a été formé par la fusion de trous noirs d’environ 100 et 140 masses solaires, donc je me demande si 15 masses solaires ont été converties en énergie, parce que c’est une quantité d’énergie colossale
  • On peut considérer que l’arme nucléaire Tsar Bomba a converti environ 2,3 kg de matière en énergie ; une masse solaire représente environ 2 x 10^30 kg, donc cet événement a libéré l’équivalent énergétique de 10^31 Tsar Bomba ; ce genre de chiffre est difficile à appréhender intuitivement, donc j’ai essayé autrement ; le Soleil n’émet qu’environ 0,034 % de sa masse sous forme d’énergie sur toute sa durée de vie, ce qui signifie qu’une masse solaire d’énergie équivaut à la durée de vie complète d’environ 3 000 Soleils ; l’énergie libérée ici correspond donc à la durée de vie énergétique complète d’environ 45 000 Soleils ; je pense que l’essentiel a été émis pendant les toutes dernières secondes de la fusion ; références : calcul de conversion d’énergie, perte de masse du Soleil
  • Cela veut dire que la masse a été convertie en énergie et s’est échappée du trou noir, mais je comprends mal comment c’est possible pour un objet dont même la lumière ne peut pas s’échapper ; si c’est sous forme d’ondes gravitationnelles, on en arrive naturellement à la conclusion que la majeure partie de l’énergie s’échappe ainsi ; pas besoin d’attendre le rayonnement de Hawking
  • Je me demande sous quelle forme d’énergie cette masse est convertie
  • C’est quelque chose que l’être humain peut imaginer, mais à cet instant c’était plus que l’énergie émise par toutes les étoiles de l’univers observable réunies
  • Oui, et malgré cela la gravité est si faible que cette énergie immense ne se manifeste que par une contraction relative de l’ordre de l’épaisseur d’un cheveu à la distance Terre-Lune (moins de 10^-20)
• Ce phénomène est vraiment fascinant, « les trous noirs tournent très vite et approchent presque la limite autorisée par la relativité générale », explique Charlie Hoy de l’University of Portsmouth ; cela rend la modélisation et l’interprétation du signal difficiles ; ce cas constitue un excellent cas d’étude pour faire progresser les outils théoriques
  • On dirait que la nature nous a lancé un test de résistance pour la relativité générale
  • Je me demande si le simple fait qu’un objet sphérique tourne génère aussi des ondes gravitationnelles
• Dans la proposition budgétaire de la NSF soumise il y a un mois, il y avait la possibilité de fermer l’un des deux observatoires LIGO aux États-Unis, ce qui nuirait fortement à la capacité de trianguler la position d’événements comme cette fusion de trous noirs ; une fermeture porterait aussi un coup sévère à la limite de bruit et au taux de détection ; je me demande si quelqu’un sait si ce plan de fermeture est toujours d’actualité, lien de référence
  • La proposition budgétaire doit être examinée demain (15 juillet, 12:00) ; le budget actuel de la NSF est d’environ 7 milliards de dollars, soit une baisse de 23 % par rapport au FY2025 ; je ne sais pas exactement quel sera l’impact sur LIGO, détails du budget
  • J’ai assisté la semaine dernière à l’événement virgo ego à Pise (en gros le cousin de LIGO) ; c’était une célébration des 10 ans de la découverte des ondes gravitationnelles, avec lecture par un acteur d’un livre écrit par la directrice italienne du programme, puis interprétation au saxophone du son des ondes ; impossible d’exprimer à quel point c’était émouvant ; il y avait aussi un moment d’interview avec le directeur du centre Virgo et une communicante scientifique, et le directeur était franchement furieux à l’idée de possibles coupes budgétaires pour LIGO ; ce qui se comprend
  • Il faut continuer à surveiller si le budget final FY 2026 maintiendra les deux LIGO ; jusque-là, le risque reste bien réel, mais la situation n’est pas encore complètement irréversible
  • Il y a actuellement plusieurs détecteurs d’ondes gravitationnelles en service dans le monde ; je me demande donc pourquoi la fermeture d’un site LIGO serait si grave pour la triangulation
  • Peut-être que le fait que cette découverte de 2023 ne soit publiée en article que maintenant en est justement la raison
• J’ai vraiment besoin d’une bonne nouvelle ; je me demande si ce type de découverte peut stimuler l’imagination quant à une manière dont cela pourrait un jour améliorer concrètement la vie humaine, même de façon très indirecte ; ce n’est pas le débat sur « l’utilité de la recherche fondamentale », je suis d’accord sur sa valeur intrinsèque, mais j’ai du mal à imaginer en quoi cela pourrait être utile à long terme
  • Je ne suis pas spécialiste mais je suis passionné par le sujet ; il y a clairement des aspects positifs à ces progrès ; l’un d’eux est que les ondes gravitationnelles peuvent nous servir de signal sur des événements de l’univers primordial ; par exemple, le fond diffus cosmologique (CMB) est le signal des premiers photons émis juste après le Big Bang / l’inflation, mais l’univers a été opaque aux photons pendant ses 300 000 premières années ; malgré cela, nous avons utilisé ces données pour valider ou réfuter des théories cosmologiques ; or les ondes gravitationnelles, contrairement aux photons, ne sont bloquées par rien et peuvent transporter un signal depuis le moment même de la création de l’univers, ce qui pourrait fournir des informations plus nettes ; cela pourrait ouvrir de nouvelles pistes en mécanique quantique, en relativité et en physique fondamentale ; je pense aussi que cela mène à l’astronomie multi-messagers, où l’on observe les événements via les photons, les neutrinos et les ondes gravitationnelles, pour en tirer des enseignements plus profonds ; comme il existe de nombreux exemples où les progrès en physique fondamentale ont fini par améliorer la vie sur Terre à long terme, on peut garder une vision optimiste ; j’espère que cela donnera un peu d’espoir sur le fait que le monde peut aller mieux
  • À la question « comment cette recherche pourrait-elle être utile à long terme ? », honnêtement, je ne sais pas ; mais les trous noirs sont scientifiquement ce qui se rapproche le plus des limites de ce que nous savons ; nous ne savons absolument pas ce qui se passe au-delà de l’horizon des événements (et nous ne le saurons peut-être jamais expérimentalement) ; quand on en apprend davantage, il arrive parfois qu’une percée se produise et fasse bondir le progrès technologique ; c’est un domaine au potentiel immense ; dans la plupart des cas, les progrès sont assez « ennuyeux » en dehors du secteur directement concerné
  • L’utilité concrète de ce type de recherche ne réside pas dans « le résultat lui-même », mais dans la méthodologie nécessaire pour l’obtenir ; LIGO exige des lasers d’une précision extrême, des plateformes stables, des mesures de position à la limite de l’extrême, et énormément de software ; ce sont ces « besoins » qui provoquent des avancées et des innovations réelles ; par exemple, les capteurs CMOS (appareils photo numériques) sont nés comme effet secondaire de l’astronomie ; quand on utilise l’appareil photo de son téléphone, on ne pense pas « ça vient de travaux sur la mesure des distances stellaires », mais c’est ce genre d’effet
  • Dans l’histoire, les civilisations prospères ont construit des édifices monumentaux pour montrer leur grandeur ; de la même façon, nous sommes aujourd’hui en train d’investir la productivité de notre société dans une grande œuvre d’art qu’est la recherche fondamentale ; la détection des fusions de trous noirs n’a peut-être aucun bénéfice pratique, mais c’est un monument intellectuel dédié à la découverte de la nature de l’univers ; comme les anciens Égyptiens dont on se souvient encore aujourd’hui, j’espère que nos réalisations dureront elles aussi longtemps
• J’ai toujours pensé que l’horizon des événements d’un trou noir était forcément sphérique, mais mon intuition physique me dit que lorsque deux trous noirs fusionnent, le trou noir résultant ne devrait-il pas au moins au début avoir une forme de « cacahuète » ? Selon la distribution interne de masse, une forme irrégulière pourrait peut-être persister
  • L’horizon des événements n’est sphérique que dans le cas d’un trou noir de Schwarzschild (non rotatif) ; les trous noirs en rotation sont appelés trous noirs de Kerr et présentent beaucoup de phénomènes étranges ; à l’extérieur, il y a une zone périphérique étrange appelée ergosphere, où l’espace-temps est entraîné et où l’on ne peut pas rester immobile, et où l’on peut même utiliser le trou noir pour accélérer un objet ; à l’intérieur, il existe une frontière encore plus étrange appelée horizon de Cauchy, qui permettrait théoriquement le voyage dans le temps ; la singularité y prend la forme d’un anneau ; pendant une fusion, j’imagine que cela devient bien plus étrange encore, wiki sur la métrique de Kerr, article sur les trous noirs de Kerr, wiki sur l’ergosphere, wiki sur l’horizon de Cauchy, je mets à jour au fil de mes recherches ; c’est complexe, donc je ne peux pas garantir que tout soit parfaitement exact, mais c’est ma meilleure explication
  • Je pense qu’il est difficile de parler de la forme de l’horizon des événements, parce qu’en général une sphère se définit comme « l’ensemble des points à égale distance d’un point donné », mais sur une variété différentiable cela devient déjà compliqué, et avec une singularité la distance peut devenir infinie ou le point de référence ne pas être unique du point de vue géométrique ; on remplace donc souvent la définition par « une surface de courbure scalaire constante ayant la même topologie qu’une sphère », ce qui la distingue d’un plan ou d’une surface hyperbolique ; intuitivement, pour un trou noir de Kerr ou pendant une fusion, j’aurais tendance à penser à une forme de bonbon à la menthe ou de cacahuète (avec probablement aussi un point selle) ; dans les coordonnées, c’est clairement possible, mais selon le choix du système de coordonnées, même un trou noir de Schwarzschild peut apparaître sous une forme de cacahuète ; donc les coordonnées n’ont pas énormément de sens ici
  • Il existe une animation de fusion réalisée par le MIT/CalTech, vidéo d’animation
  • De notre point de vue, l’horizon des événements n’est pas encore vraiment achevé ; il faut un temps infini, pour un observateur extérieur, pour qu’une étoile en effondrement atteigne l’état de trou noir ; dans la plupart des situations, l’étoile effondrée ressemble à un trou noir, mais dans le processus de fusion de trous noirs, l’horizon des événements n’est pas complètement formé, ce qui permet une émission d’énergie ; dans ce cas, cela crée une différence importante
• Je me demande ce qui se passerait si un trou noir traversait un autre trou noir à une vitesse ultra-relativiste
  • L’espace-temps autour d’un trou noir est courbé à l’extrême ; on imagine facilement « deux objets qui se percutent presque à la vitesse de la lumière », mais avec des trous noirs, les espaces-temps s’entrecroisent de telle façon qu’à mesure que l’un s’approche, il peut même sembler complètement arrêté ; selon la position et la vitesse de l’observateur, l’observation peut être totalement différente ; il est difficile de s’accorder même sur des notions de base ; par exemple, quand quelque chose tombe dans un trou noir — même un autre trou noir — depuis l’extérieur sa vitesse semble tendre vers 0 et il ne reste qu’un rougeoiement qui s’éteint, sans qu’on puisse voir l’instant où il tombe réellement ; c’est vraiment difficile et contre-intuitif
  • Les deux trous noirs finiraient par fusionner en un trou noir emportant leur quantité de mouvement totale ; comme rien ne peut s’échapper de l’horizon des événements, les trous noirs ont en pratique un comportement parfaitement collant
  • À l’intérieur de l’horizon des événements, la vitesse de libération dépasse la vitesse de la lumière, donc les trous noirs ne peuvent pas s’approcher l’un de l’autre plus vite que cela ; si leurs trajectoires s’alignent parfaitement, ils ne peuvent pas échapper à leur attraction mutuelle ; plutôt qu’une traversée l’un de l’autre, cela ressemblerait davantage à la collision de deux aimants ultra-puissants
  • C’est dommage qu’on ne puisse pas installer un accélérateur de particules cosmique pour tester ce genre de chose
• C’est fascinant que LIGO, Virgo et KAGRA parviennent réellement à détecter et interpréter des signaux aussi extrêmes
• Je me demande quelle est la perspective budgétaire de LIGO ; est-ce que son budget a été réduit avec l’adoption du BBB la semaine dernière ?
• Je me demande ce qui se passe quand des trous noirs entrent en collision : est-ce que l’un « avale » l’autre, ou deviennent-ils simplement un trou noir plus gros ? devient-il plus dense, ou simplement plus grand ?
  • Ils fusionnent en un trou noir plus grand, l’essentiel de la masse est conservé et une partie est émise sous forme d’ondes gravitationnelles ; comme la masse est proportionnelle au rayon, la densité diminue en fait avec la fusion ; par exemple, si l’on alignait plusieurs trous noirs et qu’on les fusionnait, l’espace sphérique englobant l’ensemble deviendrait lui-même un trou noir ; un trou noir contenant toute la masse de l’univers aurait un volume de la taille de l’univers
  • Ils se combinent en un trou noir plus massif ; le volume, horizon des événements compris, ne dépend que de la masse, donc quelle que soit sa formation, à masse égale densité égale ; quant à l’idée d’« avaler », c’est un peu comme déchirer un tissu jusqu’à ce que deux trous se rejoignent et n’en fassent plus qu’un : il devient difficile de dire si le grand trou a vraiment avalé le petit
  • On ne sait pas ce qui se passe à l’intérieur ; un trou noir n’est défini que par trois quantités : la masse, le spin (moment angulaire) et la charge ; on s’attend à ce que ces quantités s’additionnent après la fusion ; une rotation rapide peut conduire à un spin post-fusion proche de la limite maximale, et les ondes gravitationnelles peuvent emporter l’énergie correspondant à l’excès de spin
  • Si j’ai bien compris, les deux trous noirs orbitent l’un autour de l’autre et s’approchent éternellement ; de notre point de vue, on ne peut jamais réellement voir quelque chose tomber dans un trou noir ; à cause de la dilatation du temps, on ne verra jamais quoi que ce soit franchir réellement l’horizon ; explication détaillée ici : Q&R sur la dilatation du temps
  • En principe, les deux trous noirs additionnent leur masse et deviennent un trou noir plus grand ; cette masse accrue produit une gravité plus forte, ce qui étend l’horizon des événements vers l’extérieur
• Blague : sans waveform (chirp), rien ne s’est produit