Le nouveau catalogue LIGO-Virgo-KAGRA établit de nouveaux records en astronomie gravitationnelle de précision

La collaboration LIGO-Virgo-KAGRA a publié aujourd’hui un nouveau catalogue d’événements d’ondes gravitationnelles. Un total de 161 événements, détectés entre avril 2024 et fin janvier 2025, ont été ajoutés à la collection, portant à 390 le nombre total de signaux d’ondes gravitationnelles détectés à ce jour. Parmi les découvertes les plus marquantes figurent : des preuves de l’existence de trous noirs de deuxième génération, la localisation céleste la plus précise jamais obtenue pour une source d’ondes gravitationnelles, et la première mesure de trois modes de vibration d’un trou noir. Une richesse de résultats qui marque l’âge adulte de l’astronomie gravitationnelle

Le réseau international de détecteurs d’ondes gravitationnelles LIGO, Virgo et KAGRA (LVK) a annoncé aujourd’hui la publication en ligne d’un catalogue mis à jour de tous les événements d’ondes gravitationnelles observés à ce jour, nommé Gravitational Wave Transient Catalogue-5.0 (GWTC-5), avec les articles scientifiques correspondants soumis à l’Astrophysical Journal et à l’Astrophysical Journal Letters.

Les données analysées dans ce travail ont été collectées par les détecteurs entre avril 2024 et la fin de janvier 2025, pendant une partie de la quatrième campagne d’observation (O4), appelée O4b. Pendant cette période, 161 nouveaux événements d’ondes gravitationnelles ont été détectés, portant le nombre total d’événements confirmés observés par le réseau depuis la première détection en 2015 à un impressionnant total de 390.

Le réseau LVK international se compose des deux détecteurs jumeaux LIGO (Laser Interferometer Gravitational-wave Observatory), financés par la Fondation nationale des sciences (NSF) des États-Unis, du détecteur Virgo, hébergé par l’Observatoire gravitationnel européen (EGO) en Italie, et du détecteur KAGRA, hébergé par l’Institut de recherche sur les rayons cosmiques (ICRR) de l’Université de Tokyo.

Cette dernière mise à jour du catalogue — qui, avec la précédente GWTC-4, couvre les événements collectés entre mai 2023 et janvier 2024 — contient 75 % de tous les événements d’ondes gravitationnelles observés à ce jour depuis la première détection en 2015.

Ce résultat impressionnant démontre à quel point les mises à niveau des détecteurs sont cruciales pour augmenter la sensibilité, ce qui conduit à une croissance extraordinaire du nombre d’événements détectés à chaque campagne d’observation successive. En effet, la collaboration internationale LIGO-Virgo-KAGRA (LVK) alterne des périodes de collecte de données (campagnes d’observation) avec des phases consacrées aux mises à niveau et à la mise en service des détecteurs. C’est aussi pour cette raison que le catalogue des événements d’ondes gravitationnelles — incluant les données validées et les paramètres physiques des sources — est régulièrement mis à jour et partagé avec toute la communauté scientifique.

« La sensibilité exceptionnelle de nos détecteurs », a déclaré Ed Porter, chercheur au Laboratoire Astroparticules et Cosmologie (APC) du CNRS, « nous permet désormais de détecter trois ou quatre signaux d’ondes gravitationnelles chaque semaine. Cette richesse croissante de données, qu’une communauté entière de scientifiques et d’astronomes travaille à analyser et à étudier, nous a fait passer de l’ère des premières découvertes à celle de l’astronomie gravitationnelle de précision. Aujourd’hui, les études sur les ondes gravitationnelles permettent des analyses autrefois impensables : l’étude des populations de trous noirs, des tests de plus en plus précis de la relativité générale dans les conditions physiques extrêmes des phénomènes que nous observons, et le développement de nouvelles méthodes pour obtenir des estimations toujours plus précises de la constante de Hubble. C’est un scénario sur lequel peu de gens auraient parié il y a seulement dix ans. »

En plus des nouvelles perspectives ouvertes par ce nombre exceptionnel d’observations, le nouveau catalogue comprend également plusieurs détections exceptionnelles en soi et établit de nouveaux records en matière d’observations en astronomie gravitationnelle : la meilleure localisation céleste jamais obtenue pour une source d’ondes gravitationnelles, le signal d’onde gravitationnelle le plus net jamais enregistré, et des preuves de l’existence de trous noirs de deuxième génération.

La meilleure localisation céleste jamais obtenue

Un signal détecté par les deux détecteurs LIGO aux États-Unis et Virgo en Europe le 15 juin 2024 — et donc nommé GW240615 — a établi le record de la localisation céleste la plus précise parmi tous les événements d’ondes gravitationnelles observés à ce jour. La source a été localisée dans une zone de seulement 6 degrés carrés, une portion relativement réduite de la sphère céleste. Cette performance exceptionnelle a été rendue possible grâce à la triangulation utilisant les données des trois détecteurs actifs à ce moment-là, y compris Virgo, qui a réintégré la campagne d’observation en avril 2024 au début de O4b, contribuant de manière significative aux capacités de localisation des sources du réseau.

« Une localisation de plus en plus précise des sources dans le ciel est clairement l’une des priorités pour toute la communauté astronomique, afin de rechercher dans la plus petite région possible du ciel d’éventuels signaux électromagnétiques générés par les événements observés — en particulier dans le cas de fusions d’étoiles à neutrons ou entre un trou noir et une étoile à neutrons », a déclaré Marie Anne Bizouard, porte-parole de la collaboration Virgo et chercheuse au Centre national de la recherche scientifique (CNRS) à Nice. « Nous savions que la contribution de Virgo serait décisive pour améliorer la localisation des sources d’ondes gravitationnelles observées, et nous sommes fiers du travail exceptionnel accompli par l’équipe chargée de la mise en opération du détecteur, qui a été récompensé par ce résultat record. »

L’événement d’onde gravitationnelle observé avec cette localisation record était la fusion de deux trous noirs, de masses respectives d’environ 26 et 30 masses solaires, qui sont entrés en collision violente à plus de 3 milliards d’années-lumière de la Terre.

Les améliorations de la capacité du réseau à localiser les événements, ainsi que l’augmentation de la taille du jeu de données, ont également permis d’obtenir une meilleure estimation de la constante de Hubble, H₀, qui indique à quelle vitesse l’Univers est actuellement en expansion. En utilisant le jeu de données GWTC-5, la collaboration LVK a obtenu une nouvelle mesure indépendante de la constante de Hubble, H₀ = 71,0 (-7 / +9) km s⁻¹ Mpc⁻¹, qui est plus de 25 % plus précise que l’estimation issue de la publication du catalogue précédent.

Cette valeur est entièrement cohérente avec les mesures bien établies provenant à la fois de notre voisinage cosmique et de l’Univers primordial, mais elle n’est pas encore assez précise pour résoudre la tension entre ces mesures.

Le signal d’onde gravitationnelle le plus clair jamais enregistré

Détecter les ondes gravitationnelles ne se limite pas à capturer un signal, mais à l’extraire du bruit qui perturbe les détecteurs. Cela nécessite des efforts intenses de réduction du bruit et des analyses de données très sophistiquées, c’est pourquoi la « force » ou la « clarté » d’un signal s’exprime par le rapport signal-sur-bruit (SNR). Le catalogue publié aujourd’hui comprend le signal d’onde gravitationnelle le plus clair jamais détecté, avec un rapport signal-sur-bruit de 76,9.

Ce signal, GW250114, a atteint la Terre le 14 janvier 2025 et a été généré par la fusion de deux trous noirs de masses quasi identiques (32 et 34 fois la masse du Soleil, respectivement), survenue à plus d’un milliard d’années-lumière de la Terre. Sa clarté a permis d’obtenir des résultats scientifiques exceptionnels, déjà publiés et annoncés par la collaboration LVK ces derniers mois, notamment le test le plus précis jamais réalisé de la relativité générale et la confirmation du théorème de l’aire des trous noirs de Stephen Hawking.

« Lorsque deux trous noirs fusionnent, la collision résonne comme une cloche, émettant des tons spécifiques caractérisés par deux nombres : une fréquence oscillatoire et un temps d’amortissement. Si vous mesurez un ton dans les données d’une collision, vous pouvez calculer la masse et le spin du trou noir formé lors de cette collision. Mais si vous mesurez deux tons ou plus dans les données — ce qu’un signal clair comme GW250114 permet —, chacun d’eux fournit effectivement une mesure différente de la masse et du spin, selon la relativité générale. »

« Si ces deux mesures sont cohérentes entre elles, vous validez effectivement la relativité générale », a expliqué Keefe Mitman, physicien à l’université Cornell. « Mais si vous mesurez deux tons qui ne correspondent pas à la même combinaison de masse et de spin, vous pouvez commencer à étudier dans quelle mesure vous vous écartez des prédictions de la relativité générale. »

GW250114 était suffisamment clair pour que les chercheurs puissent mesurer deux tons et contraindre un troisième. Tous sont en accord avec la relativité générale d’Einstein.

Trous noirs de deuxième génération

Un autre résultat remarquable, inclus dans le nouveau catalogue publié aujourd’hui — bien qu’il ait déjà été annoncé par la collaboration LVK ces derniers mois — concerne deux événements très particuliers : GW241011 et GW241110. Ces signaux, détectés en octobre et novembre 2024, à seulement un mois d’intervalle, ont été générés par deux fusions de trous noirs, situées respectivement à environ 700 millions et 2,4 milliards d’années-lumière de la Terre. Certaines caractéristiques de ces fusions — en particulier le spin des trous noirs (c’est-à-dire leur orientation et leur vitesse de rotation) — indiquent que les objets impliqués pourraient être des trous noirs de « deuxième génération », c’est-à-dire des trous noirs qui sont eux-mêmes le résultat de coalescences précédentes. Ces objets se seraient probablement formés dans des environnements cosmiques très denses et peuplés, comme les amas stellaires, où les trous noirs ont plus de chances d’entrer en collision et de fusionner à plusieurs reprises.

Le nombre croissant d’événements observés a également permis aux chercheurs d’étudier et d’identifier de plus en plus clairement les propriétés des différentes populations de trous noirs, et l’un des articles accompagnant le catalogue traite précisément de cet aspect spécifique.

« L’un des indices les plus intrigants issus du nouveau catalogue est l’apparition d’un groupe de trous noirs dont les masses se situent entre environ 10 et 20 fois la masse du Soleil, et qui semblent partager une caractéristique commune : ils tournent rapidement, étant probablement des trous noirs de « deuxième génération » », a déclaré Mario Spera. « Le mystère ne réside pas simplement dans le fait que ces trous noirs tournent rapidement, mais dans la raison pour laquelle cette sous-population apparaît précisément à ces masses. C’est un autre indice que l’Univers pourrait encore cacher des éléments importants de l’histoire de la naissance, de l’évolution et de la fusion des trous noirs. Et cette image deviendra de plus en plus riche, et plus surprenante, avec chaque nouveau catalogue d’ondes gravitationnelles de la collaboration LVK. »

La collaboration LIGO-Virgo-KAGRA

LIGO
LIGO est financé par la NSF (National Science Foundation) et exploité par Caltech et le MIT, qui ont conjointement conçu et construit le projet. Le financement du projet Advanced LIGO a été dirigé par la NSF, avec des contributions majeures de l’Allemagne (Société Max-Planck), du Royaume-Uni (Science and Technology Facilities Council), et de l’Australie (Australian Research Council). Plus de 1 600 scientifiques du monde entier participent à cet effort au sein de la LIGO Scientific Collaboration, qui inclut la collaboration GEO. La liste des partenaires supplémentaires est disponible à l’adresse my.ligo.org/census.php.

Virgo
La collaboration Virgo compte actuellement environ 1 000 membres issus de 175 institutions dans 20 pays différents (principalement européens). L’Observatoire gravitationnel européen (EGO) accueille le détecteur Virgo près de Pise, en Italie, et est financé par le Centre national de la recherche scientifique (CNRS) en France, l’Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (INFN) en Italie, l’Institut national de physique subatomique (Nikhef) aux Pays-Bas, la Fondation de recherche – Flandre (FWO) et le Fonds de la recherche scientifique (F.R.S.–FNRS) en Belgique.
La liste des groupes de la collaboration Virgo est disponible à l’adresse : https://www.virgo-gw.eu/about/scientific-collaboration/.
Plus d’informations sont disponibles sur le site web de Virgo : https://www.virgo-gw.eu.

KAGRA
KAGRA est l’interféromètre laser de 3 kilomètres de long situé à Kamioka, dans la préfecture de Gifu, au Japon. L’institut hôte est l’Institut de recherche sur les rayons cosmiques (ICRR) de l’Université de Tokyo, et le projet est co-accueilli par l’Observatoire astronomique national du Japon (NAOJ) et l’Organisation de recherche sur les accélérateurs de haute énergie (KEK). La collaboration KAGRA compte plus de 400 membres issus de 128 instituts dans 17 pays/régions.Les informations sur KAGRA destinées au grand public sont disponibles sur le site : gwcenter.icrr.u-tokyo.ac.jp/en/.
Les ressources pour les chercheurs sont accessibles à l’adresse : gwwiki.icrr.u-tokyo.ac.jp/JGWwiki/KAGRA.