Fréquence de détection des ondes gravitationnelles

Vous avez peut-être entendu dans les nouvelles que l'expérience LIGO a récemment détecté une onde gravitationnelle.

Bien que je ne sois pas astronome, le papier est une bonne lecture et surtout accessible. La détection de l'onde gravitationnelle est une chose, mais la fusion du trou noir est assez nouvelle pour moi. D'après les données que j'ai pu recueillir dans le journal et sur ce site, la source est estimée à 1,3 milliard d'années et le bip n'a duré que quelques millisecondes.

Ma question: quelle est la fréquence des événements de cette taille? Existe-t-il une estimation de la densité de tels événements dans l'univers?

Harry (2009) a cité plusieurs sources différentes qui ont déclaré que, à notre connaissance, le taux d' événements détectables sera

• 40 fusions d'étoiles à neutrons par an
• 30 10 M fusions de trous noirs par an$_\odot$
• 10 fusions d'étoiles à neutrons / trous noirs par an

Ceci est dans un rayon d'environ 200 Mpc. Cependant, cela ne peut pas être utilisé pour extrapoler le taux total de tels événements, en raison du biais de détection - plus les objets sont massifs, plus ils sont faciles à détecter. La même chose se produit avec les exoplanètes, mais pour différentes raisons (par exemple, les planètes qui sont plus massives ou plus proches de leurs étoiles sont plus faciles à détecter via le transit ou par des méthodes de vitesse radiale).

Le taux d'ondes gravitationnelles détectées de cette amplitude ou les détections d'ondes gravitationnelles dues à la fusion des binaires du trou noir sont toutes deux inconnues pour le moment. Leur mesure est en partie le but de l'expérience.

Les taux de détection peuvent être convertis en taux de fusions par unité de volume dans l'espace et peuvent être comparés avec des modèles et des prévisions. La collaboration aLIGO a publié son premier article de post-détection sur ce même sujet - Abbott et al. (2016) .

La masse élevée des trous noirs découverts implique qu'ils se sont formés dans un environnement pauvre en métaux à partir de l'effondrement du noyau d'étoiles massives ou qu'ils se sont formés à partir de la fusion de petits trous noirs en grappes denses. La gamme de taux précédemment prévue pour les fusions de tels objets couvrait une gamme énorme en raison des incertitudes massives dans le taux de production et les mécanismes de formation binaire de ces objets, et se situait dans la gamme de 0 à environ 1000 par an par gigaparsec cube.

$z=0.09$

Comme vous l'avez peut-être deviné, cette question présente un grand intérêt pour l'équipe LIGO. Simultanément à la publication de l'article que vous avez mentionné annonçant la découverte, l'équipe LIGO a soumis un certain nombre d'articles complémentaires avec plus de détails sur la découverte et les prévisions. L'une d'elles répond à votre question:

Le taux de fusion de trous noirs binaires déduit des observations LIGO avancées entourant GW150914

Leur méthode d'estimation du taux d'événements considère à la fois le GW150914 et un autre événement significativement plus faible (et moins statistiquement significatif). Ils examinent un certain nombre de modèles sur la façon dont le taux d'événements peut dépendre des propriétés du système et demandent ce que les observations de GW150914 et de l'autre événement candidat impliquent pour le taux global. Les résultats varient d'un modèle à l'autre, mais ils ont choisi des modèles qui, selon eux, pouvaient approximativement correspondre à un comportement astrophysiquement plausible. Comme résumé dans leur résumé:

$2-53 \, \mathrm{Gpc}^{-3} \, \mathrm{yr}^{-1}$$6-400 \, \mathrm{Gpc}^{-3} \, \mathrm{yr}^{-1}$$2-400 \, \mathrm{Gpc}^{-3} \, \mathrm{yr}^{-1}$

Notez que le document est soumis, non publié, c'est-à-dire toujours en cours d'examen par les pairs. S'exprimant comme quelqu'un ayant de l'expertise dans de tels calculs, certains aspects de la méthode me semblent louche, donc je pense qu'il vaut la peine de revenir sur l'article dans quelques semaines pour des révisions. Il ne faut pas de méthodologie sophistiquée pour voir que l'ordre de grandeur ici (de quelques à ~ 100 par gigaparsec cube par an) est dans le bon stade. Mais le document présente une méthodologie qui pourrait faire des estimations et des prévisions plus détaillées et plus précises à mesure que les données s'accumulent, il est donc important de s'assurer que la méthodologie est solide.