Pour la toute première fois, des scientifiques du monde entier ont réussi à photographier une collision entre deux étoiles à neutrons, à 130 millions d’années-lumière de distance. L’événement s’appelle GW170817.
Et tout cela grâce à l’astronomie des ondes gravitationnelles, qui a identifié l’événement et indiqué aux observatoires où regarder. Ajoutez à cette liste de premières les premières observations optiques et par ondes gravitationnelles simultanées du même événement.
On peut faire la fête ? Faisons une fête.
Sérieusement, c’est incroyable. Jamais auparavant nous n’avions été capables de localiser avec précision l’origine des ondes gravitationnelles, ni d’observer l’événement qui les a provoquées. Et ce n’est que la cinquième détection gravitationnelle jamais réalisée.
Les quatre détections précédentes provenaient de collisions (ou fusions) entre des trous noirs binaires, qui se réunissaient pour former un seul grand trou noir. Il y avait deux raisons principales pour lesquelles nous ne pouvions pas les voir.
La première est que, jusqu’au début de cette année, nous ne disposions que de deux détecteurs – les interféromètres de LIGO à Livingston, en Louisiane, et à Hanford, dans l’État de Washington. Cela signifie que les trois premiers événements ne pouvaient être localisés que dans une très large zone du ciel.
L’ajout d’un troisième détecteur, l’interféromètre de Virgo en Italie, a amélioré la précision de localisation d’un facteur d’environ 10, lors de l’annonce du quatrième événement d’ondes gravitationnelles il y a quelques semaines à peine.
La deuxième raison est que les trous noirs, par leur nature même, sont invisibles. Ils absorbent toute la lumière – nous ne pouvons que déduire leur existence en fonction des changements dans l’espace qui les entoure. Les étoiles à neutrons, en revanche, sont très visibles, de sorte qu’une collision entre elles était un événement très attendu.
Pour réaliser cette nouvelle série d’observations, environ 70 observatoires terrestres et spatiaux se sont joints à LIGO et à Virgo pour examiner une petite zone du ciel dans la constellation de l’Hydre, juste à côté de la galaxie lenticulaire NGC 4993.
Le premier détecteur s’est déclenché le 17 août à 8 h 41 EDT.
Puis, environ 1,7 seconde plus tard, deux observatoires spatiaux, le Fermi Gamma-ray Space Telescope de la NASA et l’INTErnational Gamma Ray Astrophysics Laboratory de l’ESA, ont capté un intense sursaut gamma – les événements les plus brillants et les plus énergétiques de l’univers – dans la même zone du ciel.
Le “chirp” était également différent. Il s’agit des ondes converties en données audio, et pour les collisions de trous noirs, elles ne durent que quelques fractions de seconde. Dans GW170817, le chirp a duré environ 100 secondes.
Ce n’était pas une coïncidence, et les astronomes du monde entier se sont précipités pour pointer leurs télescopes vers Hydra.
“Il nous est immédiatement apparu que la source était probablement constituée d’étoiles à neutrons, l’autre source convoitée que nous espérions voir – et que nous promettions au monde entier de voir”, a déclaré David Shoemaker, porte-parole de LIGO.
Les étoiles à neutrons sont l’une des choses qui peuvent se produire à la fin du cycle de vie d’une étoile supermassive.
Le noyau s’effondre, comprimant les protons et les électrons en neutrons et neutrinos. Les neutrinos s’échappent, mais les neutrons sont incroyablement denses dans un noyau d’un diamètre compris entre 10 et 20 kilomètres (6-12 miles).
Si ce noyau est inférieur à environ trois masses stellaires, la pression de cette densité soutient l’étoile à neutrons. Si le noyau est plus grand, il s’effondre en un trou noir.
Les deux étoiles à neutrons impliquées dans GW170817 avaient une masse stellaire comprise entre 1,1 et 1,6. Elles se sont mises en orbite l’une autour de l’autre dans une spirale rétrécissante à une distance d’environ 300 kilomètres, déformant l’espace-temps autour d’elles à mesure qu’elles prenaient de la vitesse, et envoyant des ondes à travers l’univers.
Pour la distance à laquelle nous les observons, la collision finale a été extrêmement brillante, émettant une intense “boule de feu” de rayons gamma. Vous pouvez la voir dans la vidéo ci-dessous. Regardez. Le gros point brillant au centre est la galaxie NGC 4993. Juste au-dessus et à gauche, vous pouvez voir GW170817.
N’est-ce pas absolument incroyable ? Il s’agit d’une collision entre deux étoiles à neutrons à peine plus grandes que le soleil, à 130 millions d’années-lumière de distance, et vous le voyez de vos propres yeux.
Mais il y a encore mieux. Vous vous souvenez que nous avons mentionné un sursaut gamma ?
“Pendant des décennies, nous avons soupçonné que les sursauts gamma courts étaient alimentés par des fusions d’étoiles à neutrons”, a déclaré Julie McEnery, scientifique du projet Fermi au Goddard Space Flight Center de la NASA.
“Aujourd’hui, grâce aux données incroyables fournies par LIGO et Virgo pour cet événement, nous avons la réponse. Les ondes gravitationnelles nous disent que les objets qui ont fusionné avaient des masses compatibles avec les étoiles à neutrons, et le flash de rayons gamma nous indique que les objets ne sont probablement pas des trous noirs, car une collision de trous noirs n’est pas censée émettre de la lumière.”
Et ils ont également, une fois de plus, donné raison à Einstein.
“Il… a démontré que la vitesse des ondes gravitationnelles était la même que celle de la lumière à quelques parties sur 10 000 trillions près – vérifiant ainsi une prédiction centrale d’Einstein datant de 1915”, a déclaré Andrew Melatos de l’Université de Melbourne.
Dans les semaines et les mois à venir, les observatoires continueront à observer la collision pour en savoir plus sur la kilonova. C’est à ce moment-là que la matière résiduelle de la collision, qui brille encore, continue d’être projetée dans l’espace.
Les observatoires et les institutions du monde entier publieront également des articles sur cet événement. Il y a tellement d’aspects à explorer.
“Des modèles détaillés du fonctionnement interne des étoiles à neutrons et des émissions qu’elles produisent, à la physique plus fondamentale comme la relativité générale, cet événement est tellement riche”, a déclaré Shoemaker.
“C’est un cadeau qui va continuer à donner.”
Pour en savoir plus, visionnez la vidéo Veritasium ci-dessous :
Les résultats de LIGO-Virgo ont été publiés dans la revue Physical Review Letters.