Découverte : la fusion d’étoiles à neutrons vue en direct

Vue d'artiste de la fusion de deux étoiles à neutrons. © W. Kastaun/T. Kawamura/B. Giacomazzo/R. Ciolfi/A. Endrizzi
La fusion de deux étoiles à neutrons vient d’être détectée grâce à une nouvelle observation d’ondes gravitationnelles. Une première, qui ouvre la voie à l’étude de phénomènes inédits.

Moins de deux ans après la première détection des vibrations de l’espace-temps, tout juste récompensée par le prix Nobel de physique et la médaille d’or du CNRS, les scientifiques de la collaboration Ligo-Virgo ont observé pour la première fois des ondes gravitationnelles émises lors de la fusion de deux étoiles à neutrons. Dans les cas précédents, les ondes gravitationnelles étaient créées par la fusion de deux trous noirs.

Fusion de deux astres ultracompacts

Les étoiles à neutrons sont des cadavres d’étoiles massives. Quand ces géantes explosent en supernovae, elles éjectent tout leur gaz dans l’espace. Ne subsiste alors qu’un cœur composé presque uniquement de neutrons : une étoile à neutrons.

Ces astres plus massifs que le Soleil ne font pourtant qu’une dizaine de kilomètres de diamètre. Ils sont donc ultracompacts : une petite cuillère de leur matière pèse un milliard de tonnes. Lorsqu’ils évoluent en couple, ils se rapprochent progressivement l’un de l’autre, jusqu’à fusionner.

Les modèles théoriques indiquaient que ce phénomène devait créer des ondes gravitationnelles. C’est aujourd’hui confirmé. Ligo et Virgo ont observé un événement lié à deux étoiles à neutrons de 1,1 et 1,6 masse solaire, situées dans la galaxie NGC 4993 (constellation de l’Hydre), à 130 millions d’années-lumière de la Terre.

En vidéo, la fusion de deux étoiles à neutrons :

Observation d’une kilonova

La découverte confirme aussi l’existence d’un phénomène jamais observé auparavant : les kilonovae. Lorsque deux étoiles à neutrons fusionnent, elles éjectent dans l’espace de la matière très chaude saturée en neutrons. En émettant de la lumière dans toutes les longueurs d’onde, du bleu vers le rouge à mesure qu’elle se refroidit, cette matière exotique devient visible : c’est la kilonova.

En son sein, des réactions nucléaires s’enclenchent, qui forment des noyaux atomiques plus lourds que le fer. Ce serait principalement ces kilonovae qui auraient engendré les éléments chimiques les plus lourds de l’Univers. Avec ces ondes gravitationnelles d’un genre nouveau, les astrophysiciens peuvent donc étudier « en direct » la création de ces éléments.

« Les premières données montrent la présence de lanthanide, de césium et de tellure, révèle Susanna Diana Vergani, de l’observatoire de Paris-Meudon. Nous poursuivons nos efforts pour détecter également du plomb et de l’or et d'autres éléments plus lourds que le fer. Avec les kilonovae et ces ondes gravitationnelles d'un genre nouveau, nous pouvons donc assister à la création « en direct » de ces éléments. Ces ondes spécifiques seront également de formidables outils astrophysiques pour décrypter la physique encore mal comprise de ces objets compacts, c'est formidable ! »

Mesurer l’expansion de l’Univers

Avec elles, les chercheurs espèrent aussi mesurer rien de moins que la vitesse d’expansion de l’Univers. Pour ce faire, les astronomes utilisent notamment les supernovae d’un certain type (Ia), dont la luminosité intrinsèque est toujours la même.

En comparant cette luminosité absolue à leur luminosité apparente, ils peuvent déduire leur distance, et donc leur distance de leur galaxie hôte. En compilant la distance de ces galaxies et leur vitesse d’éloignement (qu’ils obtiennent en analysant leur spectre lumineux), ils en déduisent la vitesse d’expansion de l’Univers.

Problème : ces chandelles cosmiques dites standard ne sont peut-être pas si standard que cela. Il faut donc mesurer cette vitesse d’expansion avec plusieurs outils indépendants. Les ondes gravitationnelles émises par les étoiles à neutrons en sont un. En effet « on peut déduire la distance des étoiles à neutrons d'après l'amplitude des ondes reçues sur Terre », explique Marie-Anne Bizouard, chercheuse au Laboratoire de l'accélérateur linéaire (CNRS/ Université Paris-Sud).

L’origine des sursauts gamma ?

Ce n’est pas tout ce que ce nouveau type d’ondes gravitationnelles apporte. Jusqu’à présent, les chercheurs pensaient, sans en être sûrs, qu’en fusionnant, les étoiles à neutrons produisaient des sursauts gamma, ces mystérieux rayonnements très énergétiques que l’on observe à l'aide d'observatoires spatiaux.

« Si nous en avons un jour la preuve grâce aux ondes gravitationnelles, la science fera un bon de géant », nous confiait Thibault Damour en juillet 2017. C’est désormais chose faite, pour ce qui est des sursauts gamma dits courts, car extrêmement brefs. Environ 2 secondes après la fin du signal d’ondes gravitationnelles, le satellite de la Nasa Fermi enregistre un sursaut gamma court, provenant de la même zone du ciel. Le sursaut est également observé par le satellite européen Integral.

La coopération, c’est l’autre prouesse de cette découverte. Puisque, contrairement aux trous noirs, cette source d’ondes gravitationnelles émet de la lumière, elle a été auscultée par 70 observatoires tout autour du monde et dans l’espace dans les heures, les jours et les semaines qui ont suivi la détection par Virgo et Ligo. Il en résulte une dizaine de publications scientifiques publiées aujourd’hui, 16 octobre 2017.

La collaboration LIGO-Virgo « promeut l'ouverture de la science à la société et rend accessible les données associées à cette observation sur le site http://www.gw-openscience.org ».

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