Ondes gravitationnelles

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Le groupe Ondes gravitationnelles fait partie de la collaboration scientifique Virgo et du réseau LIGO–Virgo–KAGRA (LVK). Il contribue à la prise de données, à leurs analyses, et à la production de miroirs, en appui de la plateforme LMA de l’IP2I. L’objectif du réseau LIGO-Virgo-KAGRA est de détecter et de caractériser les ondes gravitationnelles dont l’observation récente a ouvert le champ à une nouvelle astronomie, autrefois restreinte à la seule détection de rayonnement électromagnétique.

En 2025, dix ans après la première détection directe d’un signal d’ondes gravitationnelles par les détecteurs LIGO, le réseau LVK achève sa quatrième période d’observation conjointe. Le bilan de cette première décennie est un franc succès, avec environ 400 alertes publiques pour des signaux d’ondes gravitationnelles, diffusées moins d’une minute après l’arrivée du signal sur Terre, dont la majorité correspond à des coalescences de trous noirs dans des systèmes binaires.  Les données du réseau LVK ne sont que partiellement rendues publiques et comprennent déjà plus de 200 détections confirmées. Une part significative des données collectées est encore en cours d’analyse et sera progressivement mise à disposition de la communauté d’ici la fin de l’année 2026. De nombreuses découvertes et analyses de physique fondamentale restent ainsi à venir, faisant de cette première décennie de l’astronomie des ondes gravitationnelles un domaine toujours en pleine effervescence.

Grâce aux ondes gravitationnelles, il est désormais possible de regarder et écouter l’Univers à partir de plusieurs sources indépendantes ! Les ondes gravitationnelles permettent de recueillir sur l’Univers des informations complémentaires au messager historique qu’est le rayonnement électromagnétique (lumière visible, rayons X, ondes radio, micro-ondes, etc.). Ce fut le cas, en 2017, lors de la première observation d’une onde gravitationnelle (GW170817) provenant de la coalescence de deux étoiles à neutrons. Cette découverte a marqué la naissance de l’astronomie multimessager avec les ondes gravitationnelles.

Virgo, KAGRA, ainsi que les deux détecteurs LIGO sont des interféromètres de Michelson: ils superposent deux rayons lasers parcourant deux bras perpendiculaires de plusieurs kilomètres pour obtenir un motif d’interférence qui peut être analysé. Les ondes gravitationnelles sont des vibrations de l’espace-temps: à leur passage les longueurs relatives des bras de l’interféromètre se trouvent très faiblement affectées (10-19 m) mais suffisamment toutefois pour induire un effet mesurable sur le motif d’interférence.

Le groupe Ondes gravitationnelles de l’IP2I est impliqué dans la prise de données des interféromètres de LIGO , Virgo et KAGRA (LVK) et leur analyse, ainsi que dans le suivi de la qualité des détections. Le groupe est également engagé dans le projet européen de détection d’ondes gravitationnelles de 3ème génération, Einstein Telescope (ET). L’IP2I, à travers leLMA, participe également au développement et à la production des miroirs pour les détecteurs d’ondes gravitationnelles.

Cette page décrit très synthétiquement les intérêt et les activités du groupe, avec une liste (non complète) de liens aux publications pertinentes. Cette page a été mise à jour la dernière fois en février 2026.

Pour plus de questions, merci de contacter Viola Sordini.

LVK – détection de signaux de coalescences d’objects compacts

À l’IP2I, nous analysons les données des interféromètres du réseau LIGO-Virgo-KAGRA pour rechercher des signaux d’ondes gravitationnelles provenant de la coalescence d’objets compacts tels que des trous noirs ou des étoiles à neutrons.

Nous le faisons en utilisant le code d’analyse de Multi-Band Template Analysis, l’un des outils utilisés au sein du réseau LVK, qui utilise de techniques de filtrage adapté, à partir d’un grand nombre de formes d’ondes générées à l’avance.  À l’IP2I nous travaillons en particuliers aux analyses offline pour les Gravitational Waves Transient catalogues, des publications phare du réseau LVK.

Nous nous intéressons également aux recherches de signaux d’ondes gravitationnelles issus de coalescences d’objets compacts plus légers que le soleil, qui ne peuvent pas être produits par des mécanismes connus d’évolution stellaire, mais qui sont prédits par exemple dans des modèles de trous noirs primordiaux. Ces recherches, qui pour le moment n’ont pas mis en évidence un signal, ont des implications intéressantes pour les modèles de matière noire.

Un choix de publications récentes associées (liste non complète):

LVK – cosmologie avec les ondes gravitationnelles et populations de trous noirs

Après une détection confirmée, les données de LIGO, Virgo et KAGRA sont analysées plus en détail par des processus d’inférence bayésienne, pour déterminer les propriétés des objets astrophysiques qui ont généré le signal observé. L’équipe de l’IP2I s’intéresse à ces analyses. Dans le passé, cet intérêt a porté sur les études de matière dense. Plus récemment, le groupe se concentre sur la compréhension des populations de trous noirs et la cosmologie.

Les ondes gravitationnelles issues de la coalescence d’objets compacts nous fournissent des informations sur la distance de luminosité de la source et, combinées à une estimation du décalage vers le rouge cosmologique de cette source, peuvent être utilisées pour mesurer l’histoire de l’expansion de l’Univers, et en particulier la constante de Hubble H₀. La mesure directe de H₀ par les ondes gravitationnelles est particulièrement pertinente aujourd’hui, car il existe une forte tension entre la valeur mesurée à partir des supernovas de type Ia (SNeIa) associées aux céphéides et celle prédite par le modèle ΛCDM, calibré à partir des données du fond cosmologique à haut décalage vers le rouge.
Comme le nombre d’observations d’ondes gravitationnelles pour lesquelles l’on peut espérer disposer d’informations indépendantes et précises sur le décalage vers le rouge de la source reste relativement limité, la communauté a développé des méthodes alternatives.
L’équipe de l’IP2I est particulièrement impliquée dans la méthode des populations en utilisant le code ICAROGW, qui à partir de nombreuses observations de coalescences de systèmes binaires de trous noirs, vise à déterminer conjointement H₀ et la distributions de masses des trous noirs observés.

Un choix de publications récentes associées (liste non complète):

LVK – Caractérisation du détecteur Virgo et qualité de ses données

Nous participons également à la prise des données avec le détecteur Virgo, ainsi qu’à la compréhension et au suivi de la qualité de ces données (sur site ou hors ligne). Les membres du groupe participent aux opérations de Virgo et sont actifs dans la caractérisation de sources de bruit de fond particulières, servant à établir des critères de qualité des données à utiliser dans les analyses. Pendant la quatrième période d’observation du réseau LVK, les membres du groupe ont participer au suivi en temps réel des éventuelles alertes pour des signaux d’ondes gravitationnelles.

L’équipe porte un intérêt particulier à l’impact des données de Virgo sur la science du réseau LVK, en particulier pour la précision de la localisation des signaux dans le ciel.

Un choix de publications récentes associées (liste non complète):

LVK – Computing

L’IP2I est engagé dans le computing du réseau LVK, et est responsable des liens entre la collaboration Virgo, le réseau LVK et le centre de calcul CCIN2P3 de Lyon.

LVK – Data Acquisition et intelligence artificielle

L’IP2I est engagé dans le système d’acquisition des données de Virgo. Dans ce contexte, et en collaboration avec le service eDAQ, le groupe s’intéresse à l’utilisation des techniques d’intelligence artificielle.

ET – preparation, collaboration et digital infrastructure

L’équipe de l’IP2I est fortement engagée dans le project Einstein telescope Preparatory Phase (2022-2026), en particulier dans le design et la mise en place d’un modèle de computing et dans le design optique de l’interféromètre (LMA). L’IP2I est aussi engagé dans la construction de la ET collaboration.

Un choix de publications récentes associées (liste non complète):

Production de miroirs, Recherche & Développement

Les surfaces réfléchissantes de tous les miroirs principaux utilisés dans les interféromètres LIGO et Virgo (et aussi bien ceux de KAGRA) ont été réalisées par le Laboratoire des Matériaux Avancés (LMA), plateforme de l’IP2I. Le LMA est leader mondial de la fabrication d’optiques pour les détecteurs d’ondes gravitationnelles. Il est très actif dans la recherche et le développement de miroirs pour les détecteurs de nouvelle génération.

Consultez la page du LMA pour plus de détails

 

PERMANENTS:

NON-PERMANENTS:

- DOCTORANTS / DOCTORAL STUDENTS:
    936 documents

    • Albert M Sirunyan, Armen Tumasyan, Wolfgang Adam, Federico Ambrogi, Ece Asilar, et al.. Search for a heavy right-handed W boson and a heavy neutrino in events with two same-flavor leptons and two jets at \sqrt{s}= 13 TeV. JHEP, 2018, 05, pp.148. ⟨10.1007/JHEP05(2018)148⟩. ⟨hal-01768164⟩
    • Albert M Sirunyan, Armen Tumasyan, Wolfgang Adam, Federico Ambrogi, Ece Asilar, et al.. Measurement of differential cross sections for the production of top quark pairs and of additional jets in lepton+jets events from pp collisions at \sqrt{s} = 13 TeV. Physical Review D, 2018, 97 (11), pp.112003. ⟨10.1103/PhysRevD.97.112003⟩. ⟨hal-01763496⟩
    • Albert M Sirunyan, Armen Tumasyan, Wolfgang Adam, Federico Ambrogi, Ece Asilar, et al.. Search for pair production of vector-like quarks in the bW\overline{\mathrm{b}}W channel from proton-proton collisions at \sqrt{s} = 13 TeV. Phys.Lett.B, 2018, 779, pp.82-106. ⟨10.1016/j.physletb.2018.01.077⟩. ⟨hal-01714157⟩
    • D. Barducci, A. Deandrea, S. Moretti, L. Panizzi, H. Prager. Characterizing dark matter interacting with extra charged leptons. Physical Review D, 2018, 97 (7), pp.075006. ⟨10.1103/PhysRevD.97.075006⟩. ⟨hal-01703648⟩
    • Albert M Sirunyan, Armen Tumasyan, Wolfgang Adam, Federico Ambrogi, Ece Asilar, et al.. Search for resonant and nonresonant Higgs boson pair production in the \mathrm{b}\overline{\mathrm{b}}\mathit{\ell \nu \ell \nu } final state in proton-proton collisions at \sqrt{s}=13 TeV. JHEP, 2018, 01, pp.054. ⟨10.1007/JHEP01(2018)054⟩. ⟨hal-01704891⟩
    • Albert M Sirunyan, Armen Tumasyan, Wolfgang Adam, Federico Ambrogi, Ece Asilar, et al.. Search for long-lived particles with displaced vertices in multijet events in proton-proton collisions at \sqrt{s}=13 TeV. Physical Review D, 2018, 98 (9), pp.092011. ⟨10.1103/PhysRevD.98.092011⟩. ⟨hal-01861877⟩
    • E. Vient, L. Manduci, E. Legouée, L. Augey, Eric Bonnet, et al.. Validation of a new “3D calorimetry” of hot nuclei with the HIPSE event generator. Physical Review C, 2018, 98 (4), pp.044612. ⟨10.1103/PhysRevC.98.044612⟩. ⟨hal-01787192⟩
    • Shreyasi Acharya, Fernando Torales - Acosta, Dagmar Adamova, Jonatan Adolfsson, Madan Mohan Aggarwal, et al.. Neutral pion and \eta meson production at mid-rapidity in Pb-Pb collisions at \sqrt{s_{NN}} = 2.76 TeV. Physical Review C, 2018, 98 (4), pp.044901. ⟨10.1103/PhysRevC.98.044901⟩. ⟨hal-01758127⟩
    • W. Adam, T. Bergauer, E. Brondolin, M. Dragicevic, M. Friedl, et al.. Test beam demonstration of silicon microstrip modules with transverse momentum discrimination for the future CMS tracking detector. JINST, 2018, 13 (03), pp.P03003. ⟨10.1088/1748-0221/13/03/P03003⟩. ⟨hal-01757983⟩
    • F. Berthias, L. Feketeová, R. Della Negra, T. Dupasquier, R. Fillol, et al.. Correlated ion and neutral time of flight technique combined with velocity map imaging: Quantitative measurements for dissociation processes in excited molecular nano-systems. Review of Scientific Instruments, 2018, 89 (1), pp.013107. ⟨10.1063/1.5001162⟩. ⟨hal-01823266⟩

    Documents récupérés de l'archive ouverte HAL logo

    Qu’est-ce que les ondes gravitationnelles ?

    Les ondes gravitationnelles sont des «frémissements» de l’espace-temps causés par certains des processus les plus violents et les plus énergétiques de l’Univers, tels que la fusion des trous noirs et/ou des étoiles à neutrons, l’effondrement des supernovaes ou la rotation d’étoiles à neutrons qui ne sont pas parfaitement sphériques. En outre, les détecteurs d’ondes gravitationnelles pourraient éventuellement réussir à mesurer les restes du rayonnement gravitationnel de l’Univers primordial.

    Les ondes gravitationnelles voyagent à travers l’Univers à la vitesse de la lumière, transportant des informations précieuses sur les phénomènes qui sont à leur source: les mesurer a des implications profondes pour l’astrophysique, la cosmologie, la physique nucléaire et aide à comprendre la nature de la gravité elle-même.

    L’existence d’ondes gravitationnelles a été prédite par Einstein en 1916 et la première détection, par les interféromètres LIGO, s’est produite en 2015. Depuis, des centaines de signaux ont été (sont) détectés, donnant naissance à une nouvelle façon d’écouter l’Univers…

    Pourquoi détecter les ondes gravitationnelles ?

    Historiquement, les scientifiques se sont appuyés presque exclusivement sur le rayonnement électromagnétique (lumière visible, rayons X, ondes radio, micro-ondes, etc.) pour étudier l’Univers. Récemment, deux messagers supplémentaires sont venus apporter des informations supplémentaires et complémentaires: les neutrinos et les ondes gravitationnelles.

    Les ondes gravitationnelles sont totalement indépendantes du rayonnement EM et interagissent très faiblement avec la matière, ce qui nous permet d’obtenir des informations non déformées sur leur origine et d’observer des événements invisibles au rayonnement EM (comme les trous noirs en collision).

    Enfin, dans certains cas, un même événement peut donner lieu à plusieurs signaux détectables, du rayonnement EM aux neutrinos et aux ondes gravitationnelles: on peut désormais regarder et écouter l’Univers à partir de plusieurs sources indépendantes!

    Ce fut le cas, pour la première fois, lors de la coalescence de deux étoiles à neutrons GW170817 qui a marqué la naissance de l’astronomie multimessager.

    De nos jours, chaque fois qu’un signal est détecté par LIGO / Virgo, une alerte automatique est générée, pour que les astronomes et les physiciens des neutrinos puissent faire des observations associées!

    Comment détecter les ondes gravitationnelles ?

    Virgo, KAGRA et les deux détecteurs LIGO sont des interféromètres de Michelson: ils superposent deux sources lumineuses pour obtenir un motif d’interférence qui peut être analysé. Ils sont composés de deux bras perpendiculaires de même longueur, où deux faisceaux de laser sont piégés par des miroirs et convergent vers un photodétecteur, conçu pour être en parfaite interférence destructive en l’absence d’ondes gravitationnelles.

    Les ondes gravitationnelles sont des vibration de l’espace-temps : à leur passage, l’espace lui-même s’étire dans une direction, tout en se comprimant dans la direction perpendiculaire. Le passage d’une onde gravitationnelle fait donc osciller la longueur d’un bras de l’interféromètre, induisant un effet mesurable sur le motif d’interférence.

    De tels changements de longueur sont très faibles (de l’ordre de 10-19 mètres !) et donc très difficiles à détecter, par dessus du bruit de fond : la détection des ondes gravitationnelles par LIGO et Virgo est un énorme succès également du point de vue technologique.

    Pour plus d’informations et de matériel pédagogique, vous pouvez consulter les sites Web Virgo et LIGO.

    Plus de ressources sur les ondes gravitationnelles, les données, et des exemples d’analyse de données sont disponibles sur la page du Gravitational Waves Open Science Center.

    Actualités de Virgo et LIGO

    Voici le résumé des périodes d’observation du réseau LVK: https://observing.docs.ligo.org/plan/

    Consultez la liste des alertes publiques pour les signaux d’ondes gravitationnelles!

    Le futur

    À plus long terme, plusieurs projets existent pour continuer à explorer l’Univers avec les ondes gravitationnelles, soit sur terre avec une sensibilité accrue (Einstein Telescope, Cosmic Explorer) ou dans l’espace, en regardant différentes fréquences et donc différents phénomènes (LISA).