Détection de l’effet mémoire des ondes gravitationnelles des supernovae à effondrement du noyau

La théorie de la gravité d’Einstein, la relativité générale, a passé tous les tests avec des prédictions justes. Une prédiction qui reste est la « mémoire des ondes gravitationnelles » : la prédiction selon laquelle une onde gravitationnelle qui passe modifiera de façon permanente la distance entre les objets cosmiques.

Les supernovae – des étoiles qui s’effondrent et explosent vers l’extérieur – sont considérées comme des génératrices d’ondes gravitationnelles, bien qu’aucune n’ait encore été définitivement détectée par les interféromètres à ondes gravitationnelles sur Terre. L’effet mémoire des ondes gravitationnelles n’a pas non plus été observé, lors de fusions ou de supernovae, en raison de la sensibilité limitée des interféromètres en dessous des fréquences d’onde de 10 hertz.

Mais maintenant, une nouvelle étude présente une approche pour détecter cet effet en utilisant les observatoires d’ondes gravitationnelles actuellement existants. Le papier est publié dans Lettres d’examen physique.

À ce jour, toutes les ondes gravitationnelles détectées provenaient de fusions trou noir-trou noir, de fusions étoile à neutrons-étoiles à neutrons, ou fusions d’un de chaque. Mais les supernovae qui s’effondrent et dont la masse est supérieure à environ 10 masses solaires devraient également émettre des ondes gravitationnelles, bien que d’amplitude d’onde inférieure et avec une signature différente dans un interféromètre à ondes gravitationnelles.

Dans de telles supernovae, appelées « supernovae à effondrement du noyau » (CCSN), le noyau d’une étoile massive subit un effondrement soudain lorsque l’énergie générée par son énergie de fusion ne peut plus contrecarrer la propre gravité de l’étoile.

Il en résulte une onde de choc sortante de l’implosion. Une partie de l’énergie extérieure sera sous la forme d’ondes gravitationnelles dues au moment quadripolaire changeant de l’étoile – avec une énergie totale d’environ 1040 joules – à moins que la matière de l’étoile ne soit rejetée de manière isotrope. (Contrairement aux ondes électromagnétiques, les ondes gravitationnelles n’ont pas de moment dipolaire en raison de la conservation de l’impulsion.)

Sont également émis de la lumière visible et des neutrinos, ouvrant la possibilité d’un détection multi-messages quand ils arrivent sur Terre.

Les ondes gravitationnelles du CCSN seraient particulièrement utiles car les signaux électromagnétiques de la supernova proviennent de sa périphérie, tandis que les ondes gravitationnelles sont générées au plus profond de son intérieur et contiennent donc des informations qui ne seraient pas disponibles autrement.

Cependant, les ondes gravitationnelles du CCSN ont une amplitude plus petite que celles des fusions trou noir-trou noir, avec une souche un à deux ordres de grandeur de moins (la déformation dépend inversement de la distance de la source à la Terre). Leurs fréquences sont généralement plus basses, leur durée est plus courte et le signal est plus complexe et moins distinct que celui des fusions massives de deux corps.

Cependant, aux ondes gravitationnelles de fréquence inférieure du CCSN, environ inférieures à 10 hertz, les ondes ont une composante de « mémoire » gravitationnelle due au mouvement anisotrope de la matière et à l’émission asphérique de neutrinos. Si l’éclatement de neutrinos du CCSN n’est pas isotrope, il générera un rayonnement gravitationnel supplémentaire par rapport à celui de l’effondrement.

Provenant d’ondes émises précédemment, ces « éclate de mémoire » Les ondes sont une classe différente de rayonnement gravitationnel dans laquelle la perturbation gravitationnelle, en tout point, monte de zéro, oscille pendant quelques cycles, puis, au lieu de retomber à zéro, se stabilise à une valeur finale non nulle.

L’effet mémoire des ondes gravitationnelles n’a jamais été détecté. Les détecteurs haute fréquence comme le LIGO avancé sont pour la plupart insensibles à l’effet mémoire car le temps de réponse de ces détecteurs est généralement beaucoup plus court que le temps caractéristique nécessaire à la partie non oscillatoire du signal d’onde gravitationnelle pour atteindre sa valeur finale.

Les interféromètres plus grands, comme l’antenne spatiale d’interféromètre laser (LISA) proposée, sont meilleurs car ils ont une meilleure sensibilité dans les bandes de fréquences inférieures où les sources de mémoire typiques sont plus puissantes. (Une fréquence plus basse signifie une longueur d’onde plus élevée, la détection nécessite donc des bras d’interféromètre plus longs.)

Colter J Richardson de l’Université du Tennessee, avec des collègues de modélisation et d’analyse de données CCSN des États-Unis, de Suède et de Pologne, a étudié l’effet mémoire à l’aide de trois simulations tridimensionnelles de pointe de CCSN non rotatifs avec des masses augmentées. à 25 masses solaires, en utilisant un modèle appelé CHIMERA.

Leur masse la plus faible de 9,6 masses solaires est représentative des CCSN de masse inférieure ; les signaux d’ondes gravitationnelles de leurs modèles montraient tous « une lente montée en puissance jusqu’à une valeur de déformation non nulle qui est caractéristique de la mémoire », ont-ils écrit.

Les signaux d’ondes gravitationnelles provenant des explosions du CCSN étaient en grande partie aléatoires, mais ils ont constaté que l’augmentation (des amplitudes des ondes) et les phases de mémoire présentaient « un degré élevé de régularité » qui pourrait être bien approximé par fonctions logistiques typique des études sur la croissance démographique.

Ils ont constaté que les signaux d’ondes gravitationnelles provenant des CCSN persistaient pendant plus d’une seconde. (En revanche, le premier signal d’onde gravitationnelle de 2015 n’a duré que 0,2 seconde.) Ils ont appliqué des filtres aux signaux pour éliminer le bruit, ce qui a réduit la montée en puissance jusqu’au signal de crête mais ne l’a pas effacé.

Après un affinement supplémentaire, ils ont appliqué un filtrage adapté au signal final, qui est également utilisé dans les détecteurs d’ondes gravitationnelles actuels, en recherchant parmi un grand nombre de formes d’onde modèles précédemment calculées pour trouver celles qui sont fortement corrélées au signal raffiné du détecteur. Ils ont découvert que les résultats de leur modèle pour un CCSN de 25 masses solaires peuvent être détectés à 10 kiloparsecs (environ 30 000 années-lumière) avec une probabilité de fausse alarme inférieure à 0,05 % et dans la plage des interféromètres à ondes gravitationnelles actuels.

« Les efforts actuels dans le monde pour détecter les ondes gravitationnelles des supernovas provoquées par l’effondrement du noyau sont considérables », a déclaré Richardson. « En plus de proposer une autre stratégie de détection, nous espérons que cette lettre motivera de nouvelles recherches dans la région des basses fréquences de l’astronomie des ondes gravitationnelles. »

Il a noté qu’il existe plusieurs voies pour de futures recherches, « depuis l’application de notre méthodologie aux événements de fusion les plus courants, jusqu’à l’étude de la manière dont la prochaine génération de détecteurs sera sensible à la mémoire ».

© 2024 Réseau Science X