Ondes gravitationnelles : Une astronomie du film muet vers une résolution en haute définition

Avec les 4 premières ondes gravitationnelles, nous sommes passés du cinéma muet vers le cinéma sonore. Mais avec cette 5e onde gravitationnelle suivie du sursaut gamma court, on a la vibration et des lumières dans la plupart du spectre pour une résolution/révolution sans précédent dans l’astronomie.


Une simulation informatique de la fusion d'étoiles à neutrons - Crédit : NASA/AEI/ZIB/M. Koppitz and L. Rezzolla, CC BY
Une simulation informatique de la fusion d'étoiles à neutrons - Crédit : NASA/AEI/ZIB/M. Koppitz and L. Rezzolla, CC BY

Quand le LIGO a détecté les premières ondes gravitationnelles provenant d’une fusion de trous noirs, il a ouvert une nouvelle fenêtre dans l’ et il a apporté la preuve la plus robuste de la théorie de la relativité générale. Et LIGO a confirmé les ondes gravitationnelles à plusieurs reprises, mais cette fois, c’est totalement différent, car avec l’aide du VIRGO, le LIGO a détecté des ondes gravitationnelles provenant d’une fusion d’étoiles à neutrons.1 Les astrophysiciens savaient que ce type de fusion pouvait produire des ondes gravitationnelles, mais on a désormais une corroboration directe.

L’observation d’une fusion d’étoiles à neutron est plus importante que sa simple découverte. Cela confirme aussi que les sursauts gamma courts (SGC), qui sont les phénomènes les plus énergétiques de l’univers, sont le résultat d’une fusion d’étoiles à neutrons.2 Et c’est cette forge cosmique qui fabrique les éléments les plus lourds. Les chercheurs ne peuvent pas produire la température et la pression des étoiles à neutrons en laboratoire et donc, seules des observations directes peuvent confirmer ces théories.

La fusion d'étoiles à neutron à l'origine des sursauts gamma

Illustration d’un

Les astronomes sont sur un nuage parce pour que la première fois, ils ont des ondes gravitationnelles et des signaux lumineux provenant du même événement. Ces mesures, totalement indépendantes, nous permettent de comprendre la des fusions d’étoiles à neutrons.

Les ondes gravitationnelles sont désormais un messager comme les autres

Le LIGO a déjà détecté 4 événements d’ondes gravitationnelles provenant de trous noirs. Ce sont des ondes dans la structure de l’espace-temps. Et dans ces ondes, on peut trouver l’information, sur les masses des objets, avant et après la coalescence. Les trous noirs sont beaucoup plus massifs que les étoiles à neutrons et donc, la libération d’énergie est plus importante. Mais étant donné que la lumière ne peut pas s’échapper d’un trou noir, il n’y a aucune chance de l’apercevoir dans une coalescence de trous noirs.

Mais les étoiles à neutrons peuvent produire à la fois des ondes gravitationnelles et un sursaut gamma court. Ce sont des flashs intenses de rayonnement gamma qu’on peut voir à travers les galaxies dans tout l’univers. Il existe 2 types de sursauts gamma, les sursauts gamma courts qui proviennent de la fusion d’étoiles à neutron et les sursauts gamma longs qui coïncident avec les supernovas.2

Si vous voulez éclaircir le mystère de n’importe quel objet astronomique, la connaissance de sa distance est un facteur crucial. Ces dernières années, les astronomes ont identifié des galaxies qui produisent les sursauts gamma courts.34  Le fait de déterminer les distances de ces galaxies permet aux astronomes de calculer la puissance du rayonnement gamma pendant le sursaut et de confirmer ou d’infirmer les scénarios qui en sont à l’origine.

Mais pour que le LIGO puisse détecter 2 étoiles à neutrons qui orbitent l’une par rapport à l’autre pour fusionner par la suite, il faut qu’ils soient suffisamment proches dans une fourchette de 250 millions d’années-lumières.5 Étant donné qu’on ne les a pas découverts pendant les 18 mois du fonctionnement de LIGO, cela permet de limiter la fréquence de ces événements dans la proximité de notre univers.

La galaxie NGC 4993, source de la fusion d'étoiles à neutrons - Crédit : Palomar Observatory – Space Telescope Science Institute Digital Sky

La galaxie NGC 4993, source de la fusion d’étoiles à neutrons – Crédit : Palomar Observatory – Space Telescope Science Institute Digital Sky

Pendant cet été, les rumeurs d’une détection de fusion d’étoiles à neutron par le LIGO avec un sursaut gamma court (GRB170817A) se sont propagées comme une trainée de poudre dans la communauté astronomique.6 Tous les astronomes du monde ont cherché un point lumineux dans une vieille galaxie situé à 130 millions d’années-lumières connues comme NGC 4993.

Ce que nous savons des étoiles à neutrons

La plupart des étoiles meurent d’une manière paisible. En n’étant plus supportées par la fusion de l’hydrogène en hélium, leurs couches supérieures s’échappent dans l’espace tandis que leur noyau s’effondre dans les limites extrêmes permises par la matière normale. Ces étoiles vont se rétrécir jusqu’à la taille de la Terre pour devenir des naines blanches.

Pour les étoiles qui ont une masse de 10 à 20 fois supérieures à celle du soleil, la fin de vie est légèrement plus tourmentée. Ces étoiles meurent comme elles ont vécu, de manière très violente en éjectant leurs couches supérieures dans une supernova en laissant un objet encore plus fantastique, une vient de naitre.

Cette compréhension des étoiles à neutrons date des années 1930 quand Subrahmanyan Chandrasekhar, un astrophysicien indien, âgé à peine de 19 ans, a formalisé ce phénomène.7 Il a déterminé précisément la limite à laquelle vous pouvez comprimer la matière avant que la pression de la gravitation force les électrons dans le noyau à fusionner avec les protons pour former des neutrons. Si le rétrécissement d’une étoile normale à la taille de la terre est impressionnant, l’étoile à neutrons est encore plus compacte. Elle a la taille d’une ville, mais sa masse est le double de celle du soleil.

En plus d’une masse phénoménale et d’une taille minimale, les étoiles à neutrons tournent à des vitesses colossales. L’effondrement de la taille passant de plusieurs millions à quelques dizaines de kilomètres augmente leur rotation à cause de la conservation du moment cinétique comme un patineur sur glace qui tournerait sur lui-même en écartant les bras. Si l’étoile parent, à l’origine de l’étoile à neutrons, tourne une fois en 1 mois, l’étoile à neutrons peut tourner des centaines de fois par seconde.

Cette rotation rapide a permis de les découvrir. Il y a 50 ans, Antony Hewish et Jocelyn Bell Burnell ont découvert le premier pulsar radio qui est une étoile à neutrons qui émet des ondes radios sous forme de pulsations aux observateurs pendant qu’elle tourne à la manière d’un phare.8 Hewish a gagné le prix Nobel de physique en 1974 tandis Bell Burnell est légèrement passé à la trappe, notamment parce qu’elle était une femme.9

Les étoiles à neutrons en rotation l'une autour de l'autre perdent rapidement de l'énergie en émettant des ondes gravitationnelles et elles fusionnent en l'espace de 8 millisecondes. Un trou noir se forme et le champ magnétique devient plus organisé en produisant éventuellement des structures capables de lancer des jets qui alimenteront des sursauts gamma rapides - Crédit : NASA/AEI/ZIB/M. Koppitz and L. Rezzolla, CC BY

Les étoiles à neutrons en rotation l’une autour de l’autre perdent rapidement de l’énergie en émettant des ondes gravitationnelles et elles fusionnent en l’espace de 8 millisecondes. Un trou noir se forme et le champ magnétique devient plus organisé en produisant éventuellement des structures capables de lancer des jets qui alimenteront des sursauts gamma rapides – Crédit : NASA/AEI/ZIB/M. Koppitz and L. Rezzolla, CC BY

Mais quelle est la composition des étoiles à neutrons ? C’est une question qui semble stupide puisque la réponse est dans leur nom, mais c’est plus nuancé. Est-ce qu’il y a uniquement des neutrons ou ce qu’on appelle une soupe de quarks qui sont des particules fondamentales ? Et la réponse dépend de leur taille. Une grande étoile à neutrons est composée principalement de neutrons tandis qu’une petite étoile à neutrons possède des quarks. Un nouveau télescope à l’Agence spatiale internationale va permettre de résoudre les questions sur la taille des étoiles à neutrons et de leur composition en mesurant leur taille.

Ce qui se passe pendant la fusion d’une étoile à neutrons

Les étoiles sont rarement célibataires. On estime que la moitié de toutes les étoiles sont un système binaire et la majorité des étoiles massives sont des binaires. Ces paires d’étoiles vont évoluer ensemble et quand elles meurent, alors une paire d’étoiles à neutrons va rester orbitant l’une autour de l’autre.

Une paire d’étoiles à neutron en orbite va perdre de l’énergie en émettant des ondes gravitationnelles et au fil du temps, cette perte d’énergie va les rapprocher de plus en plus pour déclencher une fusion. Si la coalescence initiale est quasi instantanée, le rapprochement peut prendre de 10 millions à des centaines de millions d’années et donc, on a des chances de voir des fusions d’étoiles à neutrons dans des galaxies plus évoluées.

Depuis des décennies, on a suggéré que la fusion des étoiles à neutrons fournit un mécanisme à la plupart des éléments dans la table périodique qui sont plus lourds que le fer.10 Ces éléments, connus comme le processus-R, doivent se former dans un environnement riche en neutrons et les humains ont pu les former avec l’explosion des bombes nucléaires. Le signal de ce type d’événement doit rapidement baisser dans le spectre électromagnétique allant des rayons gamma, aux rayons X, en lumière visible et en infrarouge. Connus comme des kilonovas, nous voyons ces événements comme des sursauts gamma courts.11

Illustration de la fusion de 2 étoiles à neutrons dans le spectre ultraviolet. Après la fusion, on a observé une kilonova dans la galaxie NGC 4993 le 17 aout 2017 - Crédit : C037/4974 NASA's Goddard Space Flight Centre/Science Photo Library

Illustration de la fusion de 2 étoiles à neutrons dans le spectre ultraviolet. Après la fusion, on a observé une kilonova dans la galaxie NGC 4993 le 17 aout 2017 – Crédit : C037/4974 NASA’s Goddard Space Flight Centre/Science Photo Library

Finalement, toutes les pièces du puzzle se sont imbriquées ensemble quand on a observé les ondes gravitationnelles par le LIGO et VIRGO ainsi que les observations des astronomes du monde entier. Nous connaissons les masses des étoiles à neutron, la durée de l’événement et la distance de la galaxie qui les abrite. Cela confirme non seulement que la fusion d’étoiles à neutrons produit des sursauts gamma courts, mais il permettra aux astronomes de construire des modèles qui sont basés par la physique fondamentale, mais également par les observations. C’est rare d’avoir ce type d’observation et c’est encore plus rare que l’événement soit parfaitement confirmé par nos théories.

Une alerte par SMS qui a déclenché la course

La découverte des ondes gravitationnelles en 2015 est une révolution en qui est comparable à la révolution du cinéma muet vers le cinéma sonore.

Le premier SMS annoncant la découverte de l'onde gravitationnelle le 17 aout 2017 avec une coincidence pour un sursaut gamma court - Crédit : Chad Hanna, CC BY-ND

Le premier SMS annoncant la découverte de l’ le 17 aout 2017 avec une coincidence pour un sursaut gamma court – Crédit : Chad Hanna, CC BY-ND

Le 17 aout 2017 à 19 h 46 GMT, j’ai (Chad Hanna) reçu un SMS du système d’analyse en temps réel du LIGO indiquant qu’un candidat pour une onde gravitationnelle a été identifié. Mon alerte par SMS est simplement un « Hey ! » et comme on a beaucoup de candidats pour ces ondes, cette alerte n’était pas inhabituelle. À Penn State, nous avons une petite salle de conférence dédiée à l’analyse en temps réel du LIGO où nous surveillons les ondes gravitationnelles. Quand j’ai regardé l’affichage, j’ai eu un sursaut (ce qui est bien à propos). Non seulement, l’onde gravitationnelle était significative, mais il y avait également un sursaut gamma court. Le LIGO a déjà détecté 4 ondes gravitationnelles avec les événements GW150914, GW151226, GW170104 et GW170814, mais ce 5e, coïncidant avec un sursaut gamma court, était simplement surréaliste.

J’ai immédiatement lancé la téléconférence avec le LIGO et c’est là que j’ai vu le lien manquant qui n’était pas clair dans le SMS. Les masses estimées des objets faisaient à peine 1,2 à 1,5 fois à celle du soleil. C’est exactement les prévisions avec des ondes gravitationnelles provenant d’étoiles à neutrons.

Le LIGO espérait toujours avoir ces nouvelles ondes gravitationnelles et c’est pourquoi il a développé un système d’analyse pour alerter tous les astronomes dans le monde entier pour déterminer s’ils peuvent trouver des objets d’intérêts correspondant à l’heure et à la partie du ciel qui correspondait à la source des ondes gravitationnelles.12

La course pour confirmer les données

En ce début de matinée, les choses se sont bien passées, mais ensuite, il y a eu quelques couacs. Nous avions détecté les ondes gravitationnelles du LIGO en temps réel à Washington. Malheureusement, le détecteur du LIGO en Louisiane avait subi une hausse du bruit dans les instruments à l’heure où les étoiles à neutron ont fusionné. Le détecteur du VIRGO était parfaitement opérationnel, mais le transfert des données transatlantique était impossible à cause d’un problème de réseau.

Notre groupe s’est quand même attelé à la tâche et l’équipe du LIGO a rapidement créé une notice qu’il a envoyée à 70 partenaires d’observations dans le monde entier.13 Cette notice est importante, car c’est la première dans notre histoire qui ouvre la voie à une astronomie multi-messager. Le signal des étoiles à neutrons a duré 100 secondes dans les données du LIGO. C’est suffisant pour restaurer le signal en dépit du bruit dans le détecteur de Louisiane, car le bruit concernait uniquement la fin du signal.

Nous avons pu analyser les 3 détecteurs pour déterminer la période d’arrivée du signal. Ensuite, on a triangulé la source sur une partie suffisamment réduite du ciel pour que les astronomes puissent l’analyser. Nous avons eu de la chance que Fermi, le télescope spatial de rayonnement gamma, était pointé dans la direction des ondes gravitationnelles quand elles sont arrivées sur Terre. Mais les astronomes, avec leurs télescopes terrestres, devaient attendre la nuit.

Des images composites de la version optique des ondes gravitationnelles GW170817. Chaque image est de 1,5 arcsecondes sur un coté. Les images ont été prises à intervalle de 2 semaines - Soares-Santos et al. and DES Collaboration, CC BY-ND

Des images composites de la version optique des ondes gravitationnelles GW170817. Chaque image est de 1,5 arcsecondes sur un coté. Les images ont été prises à intervalle de 2 semaines – Soares-Santos et al. and DES Collaboration, CC BY-ND

10 heures après l’alerte initiale, on a eu une première observation visuelle qui a été ensuite confirmée par d’autres organisations. On avait découvert un nouveau point lumineux dans une galaxie d’où émanait les ondes gravitationnelles. Dans les heures, jours et semaines qui ont suivi, nous avons également découvert que le rayonnement gamma était accompagné par des rayonnements ultraviolets et même des ondes radio qui provenaient tous de la fusion de ces étoiles à neutrons. Chaque nouvelle observation révélait une partie du processus de la matière qui se produisait après la coalescence. L’événement GW170817 des ondes gravitationnelles est le plus important des 5, car elle ouvre la voie à une astronomie qu’on pourra observer via plusieurs messagers qui nous diront toute la complexité de l’univers dans toute sa splendeur et son immensité.

Traduction de 2 articles de The Conversation par Roy Kilgard, professeur adjoint l’université de Wesleyan et Chad Hanna de l’université Pennsylvania State.

Sources

1.
GW170817: Observation of Gravitational Waves from a Binary Neutron Star Inspiral. Physical Review Letters. https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.119.161101.
3.
Closing in on a Short-Hard Burst Progenitor: Constraints from Early-Time Optical Imaging and Spectroscopy of a Possible Host Galaxy of GRB 050509b. The Astrophysical Journal. https://doi.org/10.1086/498107.
4.
Galaxy Clusters Associated with Short GRBs. I. The Fields of GRBs 050709, 050724, 050911, and 051221a. The Astrophysical Journal. http://iopscience.iop.org/article/10.1086/512664/meta;jsessionid=BC867238BC7CB0852FDBBFDB079EECFA.c3.iopscience.cld.iop.org.
5.
Sensitivity of the Advanced LIGO detectors at the beginning of gravitational wave astronomy. Physician Review D. https://journals.aps.org/prd/abstract/10.1103/PhysRevD.93.112004.
6.
GRB 170817A. gcn.gsfc.nasa.gov. https://gcn.gsfc.nasa.gov/other/170817A.gcn3.
7.
Subrahmanyan Chandrasekhar. chandra.harvard.edu. http://chandra.harvard.edu/about/chandra.html.
8.
9.
The Nobel Prize in Physics 1974. nobelprize.org. https://www.nobelprize.org/nobel_prizes/physics/laureates/1974/.
10.
NATAL KICKS AND TIME DELAYS IN MERGING NEUTRON STAR BINARIES: IMPLICATIONS FOR r-PROCESS NUCLEOSYNTHESIS IN ULTRA-FAINT DWARFS AND IN THE MILKY WAY. The Astrophysical Journal Letters. http://iopscience.iop.org/article/10.3847/2041-8205/829/1/L13/meta.
11.
A ‘kilonova’ associated with the short-duration γ-ray burst GRB 130603B. Nature. http://www.nature.com/nature/journal/v500/n7464/full/nature12505.html?foxtrotcallback=true. [Source]
12.
IDENTIFICATION AND FOLLOW UP OF ELECTROMAGNETIC COUNTERPARTS OF GRAVITATIONAL WAVE CANDIDATE EVENTS. ligo.org. http://ligo.org/scientists/GWEMalerts.php.
13.
LIGO/Virgo G298048: Fermi GBM trigger 524666471/170817529: LIGO/Virgo Identification of a possible  gravitational-wave counterpart. gcn.gsfc.nasa.gov. https://gcn.gsfc.nasa.gov/gcn3/21505.gcn3.

N'oubliez pas de voter pour cet article !
1 étoile2 étoiles3 étoiles4 étoiles5 étoiles (2 votes, average: 5,00 out of 5)
Loading...
mm

Jacqueline Charpentier

Ayant fait une formation en chimie, il est normal que je me sois retrouvée dans une entreprise d'emballage. Désormais, je publie sur des médias, des blogs et des magazines pour vulgariser l'actualité scientifique et celle de la santé.

Laisser un commentaire

Votre adresse de messagerie ne sera pas publiée. Les champs obligatoires sont indiqués avec *