10 ans d’ondes gravitationnelles : de la première détection à GW250114

Le 14 septembre 2015, les deux détecteurs jumeaux de l’Observatoire d’ondes gravitationnelles par interférométrie laser (LIGO) ont détecté pour la première fois une onde gravitationnelle (GW150914) – la vibration de l’espace-temps provoquée par la collision de deux trous noirs. Ce moment historique validait une prédiction centenaire d’Einstein et ouvrait une nouvelle ère pour l’astrophysique.

En dix ans, le réseau international de détecteurs LIGO-Virgo-Kagra a observé plus de trois cents signaux d’ondes gravitationnelles. Parmi ces signaux, l’un des plus remarquables est la fusion de deux trous noirs détectée par LIGO le 14 janvier 2025. Ce signal d’onde gravitationnelle (appelé GW250114), le plus clair jamais observé grâce notamment à la sensibilité améliorée des instruments, nous permet de mesurer avec une précision inédite les propriétés des trous noirs et de tester rigoureusement les prédictions fondamentales de la relativité générale.

Comme le souligne Thibault Damour, professeur permanent à l’IHES :

« Les trous noirs sont une des prédictions les plus remarquables de la théorie de la Relativité Générale d’Einstein. Pendant longtemps ces objets sont restés de simples spéculations théoriques. GW250114 apporte la première confirmation précise que le signal d’ondes gravitationnelles émis lors de la fusion de deux trous noirs se termine par des oscillations amorties exponentiellement, comme prévu par la théorie d’Einstein, et comme indiqué sur la figure ci-dessous. »

L’article GW250114: testing Hawking’s area law and the Kerr nature of black holes, accepté dans Physical Review Letters et co-signé par Thibault Damour, professeur permanent à l’IHES, contient deux résultats spectaculaires :

– Le trou noir final « vibre » exactement comme prévu par la relativité générale pour un trou noir en rotation (décrit par la solution exacte trouvée par Roy Kerr en 1963).

– Le théorème de l’aire des trous noirs, de Hawking (1971), est vérifié : l’aire de la surface du trou noir final est plus grande que la somme des aires des deux trous noirs.

Un des éléments importants ayant permis cette avancée est la méthode EOB (Effective-One-Body), créée à l’IHES, qui permet de modéliser avec précision la dynamique de la fusion de deux trous noirs. Deux variantes de cette méthode – TEOB (développée par A. Nagar, un visiteur régulier de l’IHES) et SEOB (développée par A. Buonanno) – ont été utilisées pour analyser le signal GW250114.

En 10 ans, nous sommes passés de la première onde gravitationnelle (GW150914) à des confirmations expérimentales profondes de la théorie de la gravitation d’Einstein. La méthode EOB conçue, et développée, à l’IHES a joué, et continue à jouer, un rôle important dans cette exaltante aventure scientifique.

Légende et crédit de l’image en haut de l’article :
LIGO operates two detectors located 3000 km (1800 miles) apart: One in eastern Washington near Hanford, and the other near Livingston, Louisiana. This photo shows the Livingston detector.
© Caltech/MIT/LIGO Lab