Calculateur d'ondes gravitationnelles

LIGO détecte une onde gravitationnelle en observant deux bras laser de 4 kilomètres s'étirer et se comprimer d'environ une partie sur 10²¹ — une distorsion environ mille fois plus petite que la largeur d'un proton. Ce signal ne devient fiable que parce que la même forme d'onde doit apparaître dans des détecteurs distants de plusieurs milliers de kilomètres, ce qui permet de distinguer un véritable chirp du bruit local, comme des camions qui passent ou des séismes lointains. La fréquence ne reste pas non plus constante : à mesure que les deux objets spiralent l'un vers l'autre, l'énergie orbitale s'échappe sous forme de rayonnement gravitationnel, si bien que l'onde monte en fréquence jusqu'à la fusion — le « chirp » qui donne son nom à la courbe de cet outil.

Quand deux objets compacts spiralent l'un vers l'autre, ils ne diffusent pas leurs deux masses séparément. La forme d'onde est fixée presque entièrement par une seule combinaison, la masse chirp M_c = (m₁m₂)^3/5/(m₁+m₂)^1/5. Ce nombre unique gouverne la vitesse à laquelle la fréquence monte, si bien que mesurer le rythme du chirp donne directement la masse chirp — c'est pourquoi cet outil la met au premier plan.

L'amplitude d'une onde gravitationnelle dépend de la véritable distance de luminosité de la source d'une manière que les physiciens peuvent calculer à partir des premiers principes — sans étalonnage sur les céphéides ni les supernovae. Chaque fusion devient ainsi une sirène standard : le chirp donne les masses, l'amplitude donne la distance. Associez-y un décalage vers le rouge et vous obtenez une mesure indépendante de la constante de Hubble — c'est précisément ainsi que la fusion d'étoiles à neutrons GW170817, en 2017, a contribué au débat sur la vitesse d'expansion de l'univers.