Ondes gravitationnelles : une anomalie pourrait révéler un phénomène jamais observé

Au sein de la collaboration internationale LIGO-Virgo-KAGRA, des chercheur·es de l’UCLouvain participent à l’analyse d’un signal d’onde gravitationnelle hors norme détecté récemment. Cette anomalie, encore à confirmer, pourrait révéler un phénomène inédit : la déformation d’une onde gravitationnelle par un objet massif sur son trajet. Une piste prometteuse qui place nos chercheur·es en première ligne d’une avancée majeure en astrophysique.

Au début du 20ᵉ siècle, Albert Einstein révolutionnait la manière de comprendre la gravité, ne la décrivant plus comme une force mystérieuse, mais comme une déformation de la « toile » de l’espace-temps par des objets massifs, comme une boule de bowling atterrirait sur un trampoline. 

Mais Einstein avait également prédit ceci : quand deux astres extrêmement denses, comme des trous noirs ou des étoiles à neutrons, entrent en collision, cette toile cosmique se met à vibrer. Ces vibrations sont les ondes gravitationnelles ; elles déforment directement l’espace-temps, en l’étirant puis en le comprimant au passage de l’onde, à l’image des vagues qui se forment à la surface de l’eau quand on y jette un caillou.

Pour capter les ondes gravitationnelles, les scientifiques utilisent de gigantesques détecteurs en forme de L ; deux aux États-Unis (LIGO), un en Europe (Virgo), et un au Japon (KAGRA). Un laser parcourt ces deux longs tunnels perpendiculaires, et la moindre variation de leur longueur trahit le passage d’une onde gravitationnelle. Pour confirmer l’origine cosmique de ce signal, il faut généralement que la même vibration soit observée dans plusieurs de ces détecteurs. 

Depuis 2015, les différentes campagnes d’observation ont déjà révélé des centaines de collisions d’astres compacts et leur sensibilité ne cesse d’augmenter. Cette précision grandissante permet aujourd’hui d’explorer des phénomènes plus rares, comme la déformation d’une onde gravitationnelle par un objet massif, un effet similaire à la déviation de la lumière autour d’une galaxie. C’est justement un signal de ce type, inhabituel et prometteur, que l’équipe de l’UCLouvain analyse actuellement au sein de la collaboration internationale LIGO-Virgo-KAGRA. 

« Un signal inhabituel et prometteur »

Lors de la quatrième campagne d’observation qui s’est achevée le 19 novembre, les détecteurs LIGO ont enregistré un événement particulièrement bref et correspondant aux trous noirs les plus massifs jamais observé par les détecteurs. Bien que ces caractéristiques soient déjà intrigantes, d’autres détails rendent le signal encore plus particulier. Comme le résume Justin Janquart, professeur à l’Ecole de Physique et chercheur au Centre for Cosmology, Particle Physics and Phenomenology de l’UCLouvain : « C’est la première fois qu’on voit quelque chose qui n’entre pas dans ce que l’on observe habituellement. » Par exemple, certains paramètres du signal changent selon les modèles utilisés, ce qui est inhabituel. Une explication possible est la déformation du signal par un objet massif, un phénomène appelé lensing ou lentillage gravitationnel. Ce serait une première dans ce domaine. Mais la prudence reste de mise, insiste le chercheur, dont l’équipe analyse précisément ce type de signaux. L’équipe coordonne même une partie des travaux sur le lensing au sein de la collaboration et a joué un rôle central dans l’examen des différentes explications possibles. Un travail aussi technique que déterminant : comparer les modèles, vérifier les sources de bruit, évaluer les scénarios astrophysiques plausibles.

Aujourd’hui, le constat est prudent mais encourageant : « L’hypothèse du lensing ne peut pas être exclue. » Par ailleurs, si les signatures vues sont d’origine astrophysique, on s’attend à observer d’autres signaux de ce type dans les prochaines campagnes d’observation. Et si cette déformation est confirmée, les implications seraient considérables. « Le lensing gravitationnel pourrait révéler plusieurs éléments, comme la distribution de la matière dans l’Univers, la nature d’objets massifs invisibles, de nouveaux mécanismes de formation des trous noirs, voire encore des indices sur la nature de la matière noire », explique le chercheur.  

Comme le dit Justin Janquart : « C’est une nouvelle porte qui s’ouvre. On peut commencer à se poser des questions profondes. À mon avis, c’est un moment important dans l’histoire des observations. » Même si l’explication finale s’avère différente, l’événement reste exceptionnel par sa masse et sa rareté et l’exercice de recherche effectué pour ce signal vis-à-vis du lensing permettra certainement d’améliorer nos capacités d’identification du phénomène dans le futur.

       
Justin Janquart, Jef Heynen et Disha Hegde, membres de l’équipe de recherche.

Légendes photos : 
1. Capture de « strong lensing » d’ondes gravitationnelles.
2. © Carl Knox, Swinburne university of Technology
3. Les capteurs LIGO, Virgo et KAGRA : des tunnels parcourus par un laser dont la moindre variation traduit le passage d’une onde gravitationnelle.