Ondes gravitationnelles produites par des systèmes binaires
Les objets compacts tels que les trous noirs et les étoiles à neutrons sont des états finaux possible de l’évolution stellaire. Les systèmes binaires d’objets compacts sont des configurations physiques où deux objets compacts sont en orbite l’un autour de l’autre. Les systèmes binaires peuvent être composés de deux étoiles à neutrons, deux trous noirs ou d’un trou noir et d’une étoile à neutrons. Lorsque l’orbite d’un système binaire d’objets compacts a une taille comparable à celle de ces objets compacts, le système binaire devient une source très efficace d’ondes gravitationnelles. L’émission de l’onde gravitationnelle commence alors à rayonner l’énergie orbitale, causant le rétrécissement lent de l’orbite et la rendant de plus en plus rapide. Cette phase est appelée la phase spiralante d’une système binaire d’objets compacts. Finalement les deux objets compacts fusionnent en un seul objet résiduel, et l’émission de l’onde gravitationnelle s’arrête. C’est ce qu’on appelle la fusion ou la coalescence du binaire. Selon la nature et les masses des deux objets initiaux, l’objet résiduel peut être soit un trou noir, soit une étoile à neutrons de courte durée de vie qui finira par s’effondrer en un trou noir, soit une étoile à neutron de longue durée de vie qui restera dans un état stationnaire.
Simulation de ce à quoi ressemblerait la fusion de deux trous noirs (crédit: SXS project)
L’évolution de la binaire avec émission d’ondes gravitationnelles, et le signal d’ondes gravitationnelles qui en résulte peuvent être prédits assez précisément avec la Relativité Générale, soit via des approximations analytiques, soit par des simulations numériques, soit par une combinaison des deux méthodes. Les propriétés du signal de l’onde gravitationnelle dépendent fortement des propriétés du système binaire dont elle provient : la position spatiale et l’orientation du système par rapport à nous, les masses et les moments angulaires orbitaux (spins) des objets compacts, l’excentricité orbitale et la nature des objets compacts. L’utilisation de modèles prédictifs du signal nous permet d’effectuer des recherches très sensibles de coalescences de systèmes binaires compacts dans les données des détecteurs d’ondes gravitationnelles comme Virgo, LIGO et KAGRA. Une fois que le signal est identifié parmi les données, nous pouvons aussi utiliser les formes d’onde pour déduire les propriétés de la source. En accumulant les détections et les déductions de ce type, nous pouvons en apprendre plus sur la quantité de trous noirs et d’étoiles à neutrons qui se trouvent dans notre Univers, sur leur distribution de masses et de spins, sur la structure des étoiles à neutrons, sur la véracité de la description que fait la Relativité Générale des trous noirs et les étoiles à neutrons, et sur les propriétés des émissions électromagnétiques ou de neutrinos qui pourraient être associés aux binaires d’objets compacts.
Visualisation des données LIGO et Virgo au moment de la détection de la fusion de 2 trous noirs (trace sombre au centre-droit).
Le groupe Ondes Gravitationnelles de l’IJCLab est impliqué dans la recherche de fusions de systèmes binaires d’objets compacts dans les données de Virgo, LIGO et KAGRA. En particulier, nous participons au développement et au fonctionnement du logiciel d’analyse PyCBC, couramment utilisé pour les recherches de systèmes binaires d’objets compacts à la fois par la collaboration LIGO-Virgo-KAGRA et par des chercheurs indépendants. Nous contribuons aussi à la préparation de méthodes d’analyse de données qui seront utilisées pour l’étude des coalescences de systèmes binaires d’objets compacts par les futurs détecteurs d’ondes gravitationnelles tels que LISA ou le projet « Einstein Telescope ».