La collaboration scientifique LIGO, la collaboration Virgo et leurs partenaires ont directement détecté des ondes gravitationnelles – des ondulations dans l’espace et le temps – provenant d’une paire d’étoiles à neutrons en train de s’inspirer. Nommé GW170817, l’événement n’a pas seulement été “entendu” par les ondes gravitationnelles, mais aussi vu par des dizaines de télescopes spatiaux et terrestres.
Illustration d’artiste de deux étoiles à neutrons en fusion. Crédit photo : NSF / LIGO / Sonoma State University / A. Simonnet.
Le signal gravitationnel GW170817 a été détecté pour la première fois le 17 août 2017, à 8 h 41 EDT (5 h 41 PDT, 12 h 41 GMT, 2 h 41 CEST).
La détection a été effectuée par les deux détecteurs de l’observatoire d’ondes gravitationnelles LIGO (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory), situés à Hanford (Washington) et à Livingston (Louisiane). Les informations fournies par le troisième détecteur, Virgo, situé près de Pise, en Italie, ont permis d’améliorer la localisation de l’événement.
Presque au même moment, le télescope spatial Fermi de la NASA a détecté une salve de rayons gamma. Le logiciel d’analyse LIGO-Virgo a rapproché les deux signaux et a déterminé qu’il était hautement improbable que leur apparition soit le fruit du hasard.
Les données de LIGO indiquent que deux objets astrophysiques situés à une distance relativement proche de la Terre (environ 130 millions d’années-lumière) se sont rapprochés en spirale l’un de l’autre.
Il est apparu que les objets n’étaient pas aussi massifs que des trous noirs binaires – objets que LIGO et Virgo ont précédemment détectés.
Au lieu de cela, les objets inspirants ont été estimés dans une gamme d’environ 1,1 à 1,6 fois la masse du Soleil, dans la gamme de masse des étoiles à neutrons.
Alors que les trous noirs binaires produisent des “gazouillis” d’une fraction de seconde dans la bande sensible du détecteur LIGO, le signal de GW170817 a duré environ 100 secondes et a été vu dans toute la gamme de fréquences de LIGO.
Fiche d’information sur GW170817. Crédit image : LIGO Scientific Collaboration.
“Il nous est immédiatement apparu que la source était probablement des étoiles à neutrons, l’autre source convoitée que nous espérions voir – et que nous promettions au monde de voir “, a déclaré le Dr David Shoemaker, porte-parole de la Collaboration scientifique LIGO.
“De l’information des modèles détaillés du fonctionnement interne des étoiles à neutrons et des émissions qu’elles produisent, à la physique plus fondamentale telle que la relativité générale, cet événement est tout simplement si riche. C’est un cadeau qui ne cessera de donner.”
“Notre analyse de fond a montré qu’un événement de cette force se produit moins d’une fois en 80 000 ans par coïncidence aléatoire, nous avons donc reconnu tout de suite qu’il s’agissait d’une détection très confiante et d’une source remarquablement proche”, a déclaré le professeur Laura Cadonati, porte-parole adjoint de la collaboration scientifique LIGO.
“Cette détection a véritablement ouvert les portes à une nouvelle façon de faire de l’astrophysique. Je m’attends à ce qu’on s’en souvienne comme l’un des événements astrophysiques les plus étudiés de l’histoire.”
Les astrophysiciens ont prédit que lorsque les étoiles à neutrons entrent en collision, elles devraient émettre des ondes gravitationnelles et des rayons gamma, ainsi que de puissants jets qui émettent de la lumière dans tout le spectre électromagnétique.
Le sursaut gamma détecté par Fermi est ce que l’on appelle un sursaut gamma court ; les nouvelles observations confirment qu’au moins certains sursauts gamma courts sont générés par la fusion d’étoiles à neutrons.
“Pendant des décennies, nous avons soupçonné que les sursauts gamma courts étaient alimentés par des fusions d’étoiles à neutrons. Maintenant, avec les données incroyables de LIGO et de Virgo pour cet événement, nous avons la réponse”, a déclaré Julie McEnery, scientifique du projet Fermi, du Goddard Space Flight Center de la NASA.
Localisations dans le ciel des signaux d’ondes gravitationnelles détectés par LIGO à partir de 2015 (GW150914, LVT151012, GW151226, GW170104) et, plus récemment, par le réseau LIGO-Virgo (GW170814, GW170817). Après la mise en ligne de Virgo en août 2017, les scientifiques ont pu localiser les signaux d’ondes gravitationnelles. Le siteL’arrière-plan est une image optique de la galaxie de la Voie lactée. Les localisations de GW150914, LVT151012 et GW170104 entourent la sphère céleste, de sorte que la carte du ciel est représentée par un dôme translucide. Crédit image : LIGO / Virgo / NASA / Leo Singer / Axel Mellinger.
Fermi a pu fournir une localisation qui a ensuite été confirmée et grandement affinée grâce aux coordonnées fournies par la détection combinée LIGO-Virgo.
Grâce à ces coordonnées, les observatoires du monde entier ont pu, quelques heures plus tard, commencer à rechercher la région du ciel d’où le signal était censé provenir.
Un nouveau point lumineux, ressemblant à une nouvelle étoile, a d’abord été découvert par des télescopes optiques. Finalement, environ 70 observatoires au sol et dans l’espace ont observé l’événement à leurs longueurs d’onde représentatives.
Cette détection ouvre la voie à l’astronomie “multi-messagers” tant attendue”, a déclaré le Dr David H. Reitze, directeur exécutif du laboratoire LIGO.
“C’est la première fois que nous observons un événement astrophysique cataclysmique à la fois dans les ondes gravitationnelles et les ondes électromagnétiques – nos messagers cosmiques. L’astronomie des ondes gravitationnelles offre de nouvelles possibilités de comprendre les propriétés des étoiles à neutrons d’une manière qui ne peut tout simplement pas être réalisée avec la seule astronomie électromagnétique.”
Une image générale émerge parmi tous les observatoires impliqués qui confirme davantage que le signal initial des ondes gravitationnelles provenait effectivement d’une paire d’étoiles à neutrons inspirantes.
“Il y a environ 130 millions d’années, les deux étoiles à neutrons vivaient leurs derniers instants en orbite l’une par rapport à l’autre, séparées seulement par environ 300 km et prenant de la vitesse tout en réduisant la distance qui les séparait”, expliquent les chercheurs.
“En se rapprochant de plus en plus, les étoiles ont étiré et déformé l’espace-temps environnant, dégageant de l’énergie sous la forme de puissantes ondes gravitationnelles, avant de se percuter. Au moment de la collision, la masse des deux étoiles à neutrons a fusionné en un seul objet ultradense, émettant une ‘boule de feu’ de rayons gamma.”
“Les théoriciens ont prédit que ce qui suit la boule de feu initiale est une ‘kilonova’ – un phénomène par lequel le matériau qui reste de la collision de l’étoile à neutrons, qui brille de lumière, est soufflé hors de la région immédiate et loin dans l’espace.”
Les nouvelles observations basées sur la lumière montrent également que des éléments lourds, tels que le plomb et l’or, sont créés dans ces collisions et ensuite distribués dans l’Univers.
Les résultats de LIGO-Virgo sont publiés dans la revue Physical Review Letters.
