10 nouveaux événements de fusion dans les données d’ondes gravitationnelles – Sky & Telescope

Les collaborations unies LIGO, Virgo et KAGRA (LVK) ont jusqu’à présent compté 90 événements d’ondes gravitationnelles, dont presque tous étaient la fusion de deux trous noirs. Sur le total, 44 ont été capturés au cours de la première moitié de la troisième campagne d’observation des détecteurs, appelée O3a, qui a duré d’avril à octobre 2019.

Mais les chercheurs du LVK ne sont pas les seuls à parcourir les données. Les collaborations rendent les données publiques pour que d’autres scientifiques puissent les explorer, et des équipes indépendantes ont plongé avec leurs propres techniques d’analyse.

L’une de ces équipes est un groupe international avec son hub à l’Institute for Advanced Studies (IAS) du New Jersey, qui a découvert en 2019 sept fusions supplémentaires à partir de la deuxième campagne d’observation. Les chercheurs ont maintenant examiné les nouvelles données O3a, en utilisant uniquement les événements observés par les deux sites LIGO. Cette analyse a révélé 10 nouvelles fusions de candidats et en a également récupéré une que les collaborateurs de LVK avaient rejetée, a rapporté Seth Olsen (Princeton) plus tôt ce mois-ci lors de la réunion de l’American Physical Society.

Mais nous ne pouvons pas simplement ajouter ces 11 aux 90. Le problème avec les ondes gravitationnelles, c’est que nous ne pouvons pas simplement regarder le ciel et dire : « Oh, je les vois ! Nous avons besoin de «lunettes» informatiques. Et quelles lunettes nous utilisons sont importantes.

Les chercheurs détectent les événements d’ondes gravitationnelles en mesurant l’étirement et la compression infinitésimaux que les ondulations de l’espace-temps induisent dans les instruments à l’échelle kilométrique. Ces changements sont de l’ordre de 10⁻²¹, équivalent à ajuster la taille de l’orbite terrestre par la largeur d’un atome d’hydrogène. Les vagues se cachent également dans beaucoup de bruit, à la fois de l’équipement lui-même et de l’environnement, qu’il s’agisse du vent, de l’exploitation forestière ou du picage des oiseaux.

Pour démêler les signaux, les chercheurs du LVK ont plusieurs pipelines, chaînes de processus informatiques qui nettoient et évaluent les données. Certains pipelines s’appuient sur des banques de modèles, de vastes bibliothèques de formes de signaux potentiels que les théoriciens ont calculées à l’avance pour différents types d’événements. D’autres pipelines adoptent une approche plus agnostique, recherchant simplement un excès au lieu de signaux spécifiques.

Les choix effectués dans ces pipelines déterminent quels signaux sortent de l’arrière-plan – en d’autres termes, ajustez la prescription et vous ajustez ce que vous voyez. Par exemple, en raison d’hypothèses sur la gamme de spins des objets fusionnés, LVK favorise les spins plus petits dans leurs détections.

D’autres équipes utilisent leurs propres pipelines, avec leurs propres hypothèses et priorités. Le pipeline IAS améliore l’efficacité informatique, mais fait également des choses comme ignorer certains des événements les plus bruyants, afin d’être plus sensible aux événements silencieux. Son ensemble d’hypothèses rend l’équipe IAS moins sensible aux événements les plus probables mais plus sensible aux événements exotiques, a expliqué Olsen lors d’une conférence de presse.

Grâce à ces choix, le pipeline IAS a “perdu” six événements d’O3a mais en a gagné 11. Statistiquement parlant, cependant, trois des nouvelles détections sont susceptibles d’être des coups de chance.

Un goût pour l’exotisme

Avant les découvertes d’ondes gravitationnelles, les astronomes s’attendaient à ce que les trous noirs aient des masses comprises entre 5 et 50 soleils. La limite inférieure est mystérieuse, basée sur le fait que nous n’avons pas trouvé un tas de ces petits trous noirs ; elle n’a aucun fondement théorique. La limite supérieure est due à la physique stellaire : les étoiles suffisamment massives pour former un trou noir entre 50 et 120 masses solaires ne le feront pas – au lieu de cela, elles se feront exploser en miettes. (Nous allons probablement.)

Les détections LVK ont inclus une poignée d’objets en dehors de ces limites, et les candidats IAS en ajoutent plusieurs autres. Ceux-ci incluent GW190711_030756, la fusion d’un trou noir d’environ 80 masses solaires avec un trou noir de 18 masses solaires, et GW190704_104834, dans lequel un trou noir de 7 masses solaires a fusionné avec un objet de 3,2 masses solaires (probablement un noir trou).

Les quelques objets de faible masse ne résolvent pas le mystère à faible masse – il est plus facile de fabriquer des étoiles moins massives, il devrait donc y avoir plus de petits trous noirs que de grands, et il n’y en a pas. Peut-être que les étoiles explosent d’une manière qui fait naturellement des restes d’au moins 5 masses solaires. Inversement, les trous noirs costauds sont potentiellement des sous-produits d’une génération précédente de fusions, ou ils pourraient indiquer que les réactions de fusion à l’intérieur des étoiles ne sont pas aussi efficaces que nous le pensons.

Le pipeline IAS a également repéré un événement candidat qui impliquait un gros trou noir tournant presque sur sa tête autour de son compagnon : GW190910_012619, la fusion d’un trou noir de 34 masses solaires avec un objet de 2,9 masses solaires. “Il serait si peu probable que cela provienne de deux trous noirs qui ont été ensemble pendant toute leur durée de vie”, déclare Olsen. Bien que nous ayons déjà vu des signes de spins mal alignés, celui-ci est dramatique. Il ne fait aucun doute que les deux trous noirs se sont associés tard dans la vie. “Tout le monde dira:” Ouais, c’est probablement une capture ou un système multiple fou qui a causé cela. “” Notamment, cependant, cet événement a l’une des plus faibles probabilités d’être un véritable signal astrophysique.

Des événements exotiques comme ceux-ci sont essentiels pour démêler la formation des trous noirs binaires, ainsi que la taille ou la taille d’un trou noir.

La collaboration LVK garde une trace des événements trouvés par des équipes indépendantes et compare les analyses aux leurs. “Nous sommes ravis que les gens regardent les données sous de nouvelles perspectives et avec de nouveaux outils”, déclare Patrick Brady, porte-parole de LIGO (Université du Wisconsin, Milwaukee). Certains événements, tels que quatre découverts par Alexander Nitz (Max Planck Institute for Gravitational Physics, Allemagne) et d’autres l’année dernière, ont ensuite été intégrés au catalogue LVK lorsque les chercheurs de LVK sont revenus et ont effectué une analyse plus approfondie, explique Brady. Mais ils ne peuvent pas simplement ajouter les nouvelles découvertes indépendantes à leur propre catalogue, car cela compromettrait la capacité de LVK à analyser proprement l’ensemble de la population de fusions.

“C’est la beauté d’un jeune domaine comme l’astronomie des ondes gravitationnelles”, ajoute Brady. “Chaque nouvelle observation et chaque analyse des données fait progresser très rapidement notre compréhension de l’univers.”

Les chercheurs du LVK tournent maintenant leur attention vers la quatrième campagne d’observation, qui doit commencer en décembre. Ils s’attendent à détecter une fusion tous les quelques jours. Au fur et à mesure que les événements s’accumulent et que la sensibilité s’améliore, les excentriques et les sous-classes deviendront plus explorables.

Vous pouvez en savoir plus sur ce que les ondes gravitationnelles nous ont appris sur les trous noirs dans notre numéro de juin 2022.

Références:

S. Olsen et al. “Nouvelles fusions de trous noirs binaires dans les données LIGO-Virgo O3a.” arXiv.org 9 février 2022.

AH Nitz et al. “3-OGC : Catalogue des ondes gravitationnelles issues des fusions binaires compactes.” Journal astrophysique. 20 novembre 2021.