Une nouvelle ère de l’astronomie se profile avec la détection des ondes gravitationnelles issues de la fusion de deux étoiles à neutron

Voilà un nouveau grand pas en avant pour l’astronomie !

Pour la première fois, des scientifiques ont détecté les ondes gravitationnelles produites par une paire d’étoiles à neutrons entrant en collision et la lumière produite par la boule de feu qui en suivit. L’exploit de détecter les deux types de signaux (ondes et lumière) a permis aux astronomes de regarder les étoiles à neutrons en collision et de confirmer de vieilles théories sur la façon dont un tel cataclysme cosmique se déroulerait.

Cette réussite a été annoncée par les astronomes du Laser Interferometer Gravitational-wave Observatory (LIGO) basé aux États-Unis et par le détecteur Virgo en Italie lors de conférences de presse simultanées à Washington et à Garching en Allemagne.

Selon David Blair, physicien à l’université d’Australie-Occidentale, membre de la collaboration LIGO :

Nous parlons depuis longtemps de l’astronomie multimessage. Soudain, c’est une réalité.

La double diffusion des ondes gravitationnelles, de petites ondulations dans la toile de l’espace-temps prédite par Einstein et les ondes lumineuses, ont atteint la Terre le 17 août après un voyage de quelque 130 millions d’années-lumière.

Une petite compilation des meilleurs représentations de deux étoiles à neutrons fusionnant :

(NASA Goddard Space Flight Center/ CI Lab)

(W. Kastaun/ T. Kawamura/ B. Giacomazzo/ R. Ciolfi/A. Endrizzi)

(Australian National University (ANU))

Représentation artistique de deux étoiles à neutrons fusionnant. (Ana Berry/ SkyWorks Digital/ Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics)

Illustration artistique de deux étoiles à neutrons fusionnants. La grille spatio-temporelle ondulante représente les ondes gravitationnelles émanant de la collision, tandis que les faisceaux étroits montrent les sursauts de rayons gamma qui sont diffusés quelques secondes après les ondes gravitationnelles. (NSF / LIGO/ Université d’État de Sonoma/ A. Simonnet)

C’est la première fois que des ondes gravitationnelles émises par une paire d’étoiles à neutrons entrent en collision. L’événement, baptisé GW170817, marque également la première observation d’un signal d’onde gravitationnelle mise en correspondance avec des observations des rayons gamma et de la lumière visible et il pourrait fournir une réponse à un vieux mystère sur l’origine des éléments lourds tels que l’or et le platine.

Un tableau périodique des éléments montrant les sources astronomiques de chacun. Une fraction importante des éléments lourds, représentés en jaune, est produite par la fusion des étoiles à neutrons. (LIGO)

Il y a déjà eu quatre détections d’ondes gravitationnelles, qui provenaient toutes de collisions de trous noirs. Mais les trous noirs restent noirs même lorsqu’ils entrent en collision : ils ne produisent pas de flash ou d’autres rayonnements.

Les flèches montrent la contrepartie optique de la source d’onde gravitationnelle (le point lumineux au centre est la galaxie NGC 4993.) L’image de gauche date du 17 août 2017, soit 11 heures après la détection de la source d’onde gravitationnelle. L’image de droite est de quatre jours plus tard, lorsque la source s’est considérablement atténuée et que sa couleur est devenue beaucoup plus rouge. (1M2H / UC Observatoires/ Santa Cruz et Carnegie / Ryan Foley)

Les étoiles à neutrons sont différentes. Bien que petites, de seulement 10 ou 20 kilomètres de diamètre, elles comprennent une “soupe” à neutrons si dense qu’elles pèsent plus que le Soleil. Des faisceaux intenses de rayonnement sont diffusés de leurs pôles magnétiques lorsqu’elles tournent, ce qui les fait apparaître comme des impulsions. Une autre différence par rapport aux trous noirs est que leur rayonnement n’est pas piégé par la gravité. Donc, les astronomes optiques ont longtemps prédit que la collision des étoiles à neutrons leur donnerait beaucoup à voir, si seulement ils savaient où et quand regarder.

C’est là qu’interviennent les détecteurs d’ondes gravitationnelles comme le LIGO. En détectant les ondulations gravitationnelles dues à la collision des étoiles à neutrons, ils donnent aux astronomes optiques la possibilité d’orienter leurs télescopes et selon Blair :

Les détecteurs d’ondes gravitationnelles ont tous été conçus pour les étoiles binaires à neutrons.

La partie du Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory  (LIGO) se trouvant à Hanford (Caltech).

L’inconvénient avec la détection des ondes gravitationnelles dues à la collision des étoiles à neutrons est que, étant moins massives que les trous noirs, les ondes qu’elles produisent sont plus faibles. D’un autre côté, les collisions d’étoiles à neutrons sont beaucoup plus fréquentes.

Selon Blair :

Il y a peut-être 10 000 ou 100 000 fusions de trous noirs dans l’univers chaque année, mais pour les étoiles à neutrons elles pourraient être d’une par seconde.

Le 17 août, les astronomes optiques ont reçu l’information qu’ils attendaient. Les détecteurs LIGO aux extrémités opposées des États-Unis, l’un à Hanford, Washington et l’autre à Livingston, en Louisiane, ont tous deux détecté une distorsion dans l’espace-temps, d’un dixième du diamètre d’un proton causé par les ondes gravitationnelles. Deux secondes plus tard, le télescope spatial Fermi de la NASA (qui garde toujours un œil sur les sursauts de rayons gamma) en espionnait un venant de la même partie du ciel.

Les faibles masses des objets impliqués, entre 1,1 et 1,6 fois celle du Soleil, les ont identifiées comme des étoiles à neutrons. En combinant les résultats du LIGO et de Fermi avec un signal beaucoup plus faible provenant du détecteur d’ondes gravitationnelles Virgo de l’Italie, les astronomes ont pu trianguler les coordonnées. Presque immédiatement, des bulletins électroniques ont circulé dans le monde entier et les télescopes optiques ont rapidement retracé la source vers un nouveau point lumineux près de la galaxie elliptique NGC 4993 dans le ciel austral.

Tout comme ils l’avaient prédit, les astronomes optiques ont vu que le flash extrêmement brillant du sursaut de rayons gamma était suivi d’une énorme boule de feu, appelée kilonova, alimentée par la désintégration radioactive des éléments lourds.

Un voyage vers la kilonova NGC4993

Les astronomes sont stupéfaits que leurs vieilles prédictions sur ces événements destructeurs aient été confirmées si rapidement.

Selon Eric Howell de l’université d’Australie occidentale, qui étudie les étoiles à neutrons, les ondes gravitationnelles et les sursauts de rayons gamma :

Nous ne nous attendions pas à voir cela si tôt .

Le détecteur LIGO n’est pas encore à sa pleine puissance, ce qui est prévu vers 2020.

Même à sa pleine sensibilité et à sa plus grande portée astronomique, nous avons pensé qu’il y avait seulement 50 % de chances de voir une onde gravitationnelle associée au sursaut des rayons gamma.

Les ondes gravitationnelles nous ont révélé que les étoiles à neutrons coalesçaient, nous avons confirmé que c’était la source de sursaut de rayons gamma, puis nous avons vu la lumière de la kilonova.

La combinaison des trois confirme que les collisions d’étoiles à neutrons sont au moins une source de courts sursauts de rayons gamma, qui ont jusqu’à présent intrigué les astronomes. L’apparition simultanée prouve également qu’ils produisent des kilonovas, qui sont censées être la source de la majorité des éléments lourds dans l’univers.

En prime, l’arrivée quasi simultanée du signal LIGO et du sursaut de rayons gamma confirme que les ondes gravitationnelles voyagent à la vitesse de la lumière, comme le prédit la théorie de la relativité, et elles fournissent une nouvelle méthode pour déterminer la constante de Hubble, le taux d’expansion de l’univers.

Selon Howell :

Je pense que nous convergeons vers une époque où les alertes LIGO / Virgo deviendront publiques et seront distribuées en quelques minutes.

L’Evolved Laser Interferometer Space Antenna (eLISA), un détecteur spatial d’ondes gravitationnelles prévu pour fonctionner en 2028, sera capable de détecter les signes d’une collision s’approchant un mois ou deux à l’avance et selon Howell :

Cela pourrait en fait vous dire OK, il va y avoir une fusion de trou noir binaire, quelque part là-bas. Les gens se rejoindront sur YouTube pour la regarder en direct.

Un article décrivant les résultats scientifiques est publié dans la revue Physical Review Letters : GW170817: Observation of Gravitational Waves from a Binary Neutron Star Inspiral avec une pléthore d’autres articles à paraître bientôt dans Nature, Science et d’autres revues scientifiques. Présentée sur le site du Caltech : LIGO and Virgo Make First Detection of Gravitational Waves Produced by Colliding Neutron Stars et sur le site de l’université national australienne : Gravitational waves detected for first time from two stars colliding.