Virgo et Ligo observent la fusion d’une étoile à neutrons et d’un trou noir

C’est une première ! Les instruments Virgo et Ligo, en Europe et aux Etats-Unis, ont détecté une onde gravitationnelle produite par la fusion d’une étoile à neutrons et d’un trou noir. Une observation qui ouvre des perspectives pour l’étude de la matière en conditions extrêmes.

Les astrophysiciens se doutaient que ces couples existaient, mais il n’en avait jamais eu la preuve jusqu’ici. Grâce à l’instrument américain Ligo, constitué de deux détecteurs installés à Handford et Livingston aux États-Unis, et à l’européen Virgo, situé près de Pise, il n’y a désormais plus de doute. Le 5 janvier 2020 à 16h24min26s, Ligo Livingston et Virgo ont capté pour la première fois une onde gravitationnelle émise par la fusion d’une étoile à neutrons avec un trou noir. Un événement qui s’est répété dix jours plus tard, détecté par les mêmes instruments, plus Ligo Handford.

Publiée ce 29 juin 2021, l’analyse des données montre que le premier signal, GW200105, a été émis par la coalescence d’un trou noir d’environ 9 masses solaires avec une étoile à neutrons 1,9 fois plus massive que le Soleil, à plus de 900 millions d’années-lumière. Le second, GW200115, serait dû à la fusion d’un trou noir d’un peu moins de 6 masses solaires et d’une étoile à neutrons 50 % plus massive que notre étoile, éloignés de presque un milliard d’années-lumière.

Une étonnante absence

« Jusqu’ici, la détection d’une paire trou noir-étoile à neutrons avait échappé aux recherches, tant dans le domaine des ondes électromagnétiques que gravitationnelles », expliquent dans leur étude les chercheurs de la collaboration Ligo-Virgo-Kagra (le Kamiokande Gravitationnal Wave Detector, installé au Japon, n’a pas participé à la détection). On connaissait en effet 21 étoiles à neutrons binaires — 19 découvertes grâce à leur rayonnement radio, plus deux repérées au moment de leur fusion grâce aux ondes gravitationnelles —, 48 couples de trous noirs trahis par leur coalescence et découverts eux aussi par les détecteurs d’ondes gravitationnelles, mais aucun couple mixte.

Cette absence apparente étonnait d’autant plus les astrophysiciens que les couples constitués d’un objet compact et d’une étoile massive sont légion dans les galaxies. Or, que devient une étoile massive lorsqu’elle évolue ? Un étoile à neutrons ou un trou noir… Pourquoi alors ne détectait-on jamais d’étoile à neutrons appariée avec un trou noir ?

Les deux découvertes réalisées coup sur coup avec Ligo et Virgo permettent d’estimer que, dans un rayon d’un milliard d'années autour de la Terre, entre 5 et 15 étoiles à neutrons fusionnent avec un trou noir chaque année (selon les masses possibles pour chacun des membres du couple). Il est donc fort probable que de nouvelles détections soient faites à l’avenir.

Avalées d’un trait

Seront-elles accompagnées de la détection d’un signal électromagnétique, comme cela a été le cas en 2017 lorsque deux étoiles à neutrons sont entrées en collision, produisant à la fois des ondes gravitationnelles et de la lumière ?

Cette situation est celle qui est la plus favorable pour comprendre la façon dont la matière se comporte et se structure dans ces mystérieux objets compacts. Mais elle nécessite que l’étoile à neutrons se déchire et, en l’occurrence, produise un disque d’accrétion autour d’un trou noir.

Selon les chercheurs, les trous noirs de GW200105 et GW200115 étaient trop massifs pour laisser à leur infortunée compagne le temps de se tordre : elles ont sans doute été avalées d’un trait, ne laissant échapper aucun cri électromagnétique.