Les sources astrophysiques d’ondes gravitationnelles

Les sources astrophysiques d’ondes gravitationnelles peuvent être classées en fonction du type de signal qu’elles émettent. À cet égard, il existe trois principaux types de signaux: transitoires, continus et stochastiques.

Les signaux transitoires peuvent être très courts (quelques millisecondes) ou durer plusieurs minutes. Ils sont générés par des événements qui sont intrinsèquement courts dans le temps tels que l’explosion d’une supernova, ainsi que par des événements qui durent très longtemps mais qu’Advanced Virgo ne peut observer qu’au stade final, comme les coalescences binaires compactes (CBC), c’est-à-dire les fusions de systèmes binaires de trous noirs ou d’étoiles à neutrons.

Signals which are long-lived in time, with durations of months or years, can be classified as continuous. These signals are generally weaker with respect to compact binary coalescence signals; however the fact that they last for long periods of time allows us to accumulate the signal in long stretches of data which increases the chances of detection. Continuous signals can be emitted, for instance, by non-axisymmetric spinning neutron stars: the asymmetric could either be because they depart from a perfect sphere (and thus have some “mountains” at their surface), or because of an oscillating perturbation of their inner structure. Ces signaux continus d’ondes gravitationnelles n’ont jamais été détectés jusqu’à présent; toutefois, il est probable que les détecteurs Advanced LIGO et Virgo les détectent lors des prochaines campagnes d’observation.Les futurs détecteurs (ET et Cosmic Explorer ont aussi une grande probabilité de les détecter). Des signaux quasi-périodiques pourraient également être émis par des nuages de bosons ultra-légers, candidats prometteurs pour la matière noire, en orbite autour de trous noirs de masse stellaire.

Un troisième type de signal gravitationnel est le bruit de fond stochastique: il résulte de la somme incohérente de nombreux signaux d’ondes gravitationnelles trop faibles pour être détectés individuellement. Le bruit de fond stochastique peut être généré par la superposition de signaux gravitationnels provenant de nombreuses sources astrophysiques, proches ou lointaines, jeunes ou anciennes, trop faibles ou trop éloignées pour être détectées individuellement. Sa détection, qui pourrait être à la portée des réseaux Advanced LIGO et Virgo lors des prochaines périodes d’observation, donnerait des indications sur l’histoire de la formation des étoiles et l’évolution des sources astrophysiques.

Il pourrait également y avoir un fond d’ondes gravitationnelles cosmologiques, plutôt qu’astrophysiques. En effet, selon la théorie de l’inflation, ce fond cosmologique a été généré juste après le Big Bang. Il pourrait être à la portée de la prochaine génération de détecteurs d’ondes gravitationnelles.

Coalescence de systèmes binaires compacts

Un système binaire compact est composé de deux objets massifs: par exemple, un système binaire de deux étoiles à neutrons (BNS) ou un système binaire de deux trous noirs (BBH) ou un système binaire mixte composé d’une étoile à neutrons et d’un trou noir (NSBH). Ces deux objets compacts en orbite l’un autour de l’autre constituent une source typique d’ondes gravitationnelles. Au fur et à mesure que ce système évolue dans le temps, il perd de l’énergie par l’émission d’ondes gravitationnelles et les deux objets compacts orbitent donc plus rapidement l’un autour de l’autre et se rapprochent de plus en plus jusqu’à ce qu’ils finissent par fusionner. Ce phénomène est connu sous le nom de coalescence. À mesure que les deux corps s’approchent l’un de l’autre, la fréquence et l’amplitude des ondes gravitationnelles augmentent, ce qui fait penser au gazouillis des oiseaux. Ce type de signal est donc appelé « chirp » qui signifie gazouillis en anglais.

L’évolution d’un système binaire compact est constitué de trois phases: dans un premier temps, les objets sont éloignés l’un de l’autre mais orbitent l’un autour de l’autre (inspiral), puis, lorsque les orbites ne sont plus circulaires, ils plongent l’un vers l’autre jusqu’à ce qu’ils fusionnent. Au cours de ces dernières phases de la décroissance orbitale, les ondes gravitationnelles sont suffisamment intenses pour être détectées dans la bande de fréquence d’Advanced Virgo: en fonction des masses des objets en cours de coalescence, il est possible de détecter un nombre d’orbites allant jusqu’à plusieurs centaines. 

La première détection directe d’ondes gravitationnelles a été GW150914 (le 14 septembre 2015). Il s’agit de la coalescence de deux trous noirs de masses 36 et 29 fois celle de notre Soleil, fusionnant à une distance de 1,3 milliard d’années-lumière de la Terre. La première détection impliquant des données du détecteur Virgo a été GW170814 (le 14 août 2017), qui a également été la première détectée par un réseau de trois détecteurs (Virgo, LIGO Hanford et LIGO Livingston). En savoir plus ici.

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Chaque fois que l’homme a observé le ciel avec de nouveaux instruments, exploré de nouvelles gammes de longueurs d’onde électromagnétiques ou utilisé de nouveaux messagers du cosmos, de nouveaux objets et phénomènes ont été découverts.
À la recherche d’ondes gravitationnelles, nous nous attendons donc également à des surprises!

Par exemple, les cordes cosmiques sont des « défauts » dans le tissu de l’espace-temps qui pourraient s’être formés au cours de l’évolution de l’Univers. Ces cordes n’ont jamais été observées, mais on s’attend à ce qu’elles émettent des ondes gravitationnelles si elles existent. Advanced Virgo nous permettra peut-être de détecter ces phénomènes pour la première fois. Les cordes cosmiques ne sont qu’un exemple de sources d’ondes gravitationnelles plus « exotiques ». Il existe de nombreuses autres sources théoriques d’ondes gravitationnelles dont les signaux n’ont pas encore été observés: les ondes gravitationnelles qui s’échappent des imitations de trous noirs, les nuages de bosons ultralégers qui se forment autour des trous noirs en rotation et d’autres encore. Toutes ces sources représenteraient des avancées scientifiques remarquables, mais les sources les plus étonnantes que nous pourrions détecter à l’avenir avec les ondes gravitationnelles sont probablement celles que nous ne pouvons pas encore prédire et qui nous surprendront considérablement.