Astrophysique multimessager : l’Univers extrême sous une nouvelle lecture

C’est un « feu d’artifice » qui entre dans l’histoire de l’astrophysique le 17 août 2017. Il est 14h41 lorsqu’un signal d’un type nouveau fait surface sur les détecteurs LIGO (Laser interferometer gravitational wave observatory) et Virgo, qui observent les ondes gravitationnelles aux États-Unis et en Italie. Les astronomes s’empressent de communiquer l’alerte de cette détection à leur communauté. Soixante-dix observatoires, au sol et dans l’espace, prennent le relai pour suivre l’événement. L’analyse du signal, nommé GW170817, indique qu’il provient de la fusion de deux étoiles à neutrons survenue à 140 millions d’années-lumière de la Terre (9,46 x 10¹² kilomètres). Petits mais extrêmement denses, ces vestiges d’étoiles géantes ont orbité l’un autour de l’autre en se rapprochant, jusqu’à entrer en collision. C’est la première fois qu’une onde gravitationnelle – autrement dit, une déformation de l’espace-temps - liée à un tel phénomène est observée. Jusqu’ici et depuis la première détection directe d’ondes gravitationnelles en 2015 par LIGO, tous les signaux captés étaient associés à la fusion de deux trous noirs.

Mais GW170817 marque une autre première historique. Car l’onde gravitationnelle n’est pas le seul « messager » à témoigner de cette fusion. Moins de deux secondes après l’alerte, le satellite Fermi de la NASA observe un sursaut gamma dans une région compatible avec la première détection. Les sursauts gamma figurent parmi les phénomènes les plus lumineux observés dans l’Univers. Ils se manifestent par deux émissions électromagnétiques, dont une bouffée très brève de rayons gamma que Fermi a pour mission de détecter. Sauf qu’avant GW170817, aucune des observations du satellite n’avait encore coïncidé avec d’autres alertes. « Après les deux premières détections, on a suivi le phénomène dans tous les domaines. Il y a eu énormément de données », se souvient Fabian Schüssler, directeur de recherche au sein du Département de physique des particules (DPhP - Univ. Paris-Saclay/CEA) au CEA Paris- Saclay.

Combiner les signaux pour une nouvelle astrophysique

L’événement du 17 août 2017 est perçu comme l’un des points de départ de l’astrophysique dite multimessager, qui combine plusieurs signaux pour étudier les phénomènes cosmiques. Mais cette science n’est pas totalement nouvelle, souligne Fabian Schüssler. « Elle se base sur l’astrophysique multilongueur d’onde pratiquée depuis des siècles » et qui consiste à observer les rayonnements électromagnétiques dans toutes les longueurs d’onde : des rayons gamma aux ondes radios, en passant par le domaine visible, les rayons X et les infrarouges. Dans l’astronomie multimessager, trois autres types de signaux s’y ajoutent : les ondes gravitationnelles, les rayons cosmiques et les neutrinos. 

Dans ce dernier domaine, une autre corrélation apparaît justement en septembre 2017. Elle associe pour la première fois une détection de neutrinos – ces particules élémentaires engendrées par une réaction nucléaire - à une bouffée de rayons gamma. Le phénomène est localisé au niveau d’un noyau actif de galaxie particulier appelé blazar. « 2017 a été une année charnière », résume Fabian Schüssler. « Au cours de ma carrière, j’ai travaillé sur les rayons cosmiques, les neutrinos et les rayons gamma. J’ai toujours essayé de faire le lien entre les messagers mais au début, c’était considéré comme une idée un peu farfelue. » 

L’astrophysique multimessager s’intéresse à des phénomènes violents et transitoires, tels que l’explosion d’une étoile, la fusion de trous noirs ou d’étoiles à neutrons, ou encore un noyau actif de galaxie. L’objectif est d’analyser les différents messagers pour obtenir le plus de renseignements possibles sur les phénomènes. Dans le cas de GW170817,« les ondes gravitationnelles nous informent sur le système initial ». Autrement dit, comment le système était avant la fusion, quelles étaient les masses des étoiles, etc. « Le sursaut gamma, lui, livre une palette d’informations sur le système après la fusion. » Sans l’étude de la contrepartie électromagnétique, il aurait été difficile de localiser avec précision le cataclysme cosmique. 

Mais l’étude combinée des signaux est synonyme de défis. « Tous les phénomènes n’émettent pas les mêmes messagers, ni avec la même temporalité », confirme le directeur de recherche. Et tous les messagers ne s’observent pas de la même façon. Certains ne sont détectables que depuis l’espace. D’autres sont observables par des équipements terrestres, à condition que ceux-ci soient pointés dans la bonne direction et au bon moment. En ce sens, GW170817 fait figure de coup de chance : ce jour-là, les trois détecteurs de LIGO et Virgo étaient aux aguets, tout comme Fermi. Et les autres observatoires ont largement répondu à l’alerte. « Avec l’astronomie multimessager, il y a un vrai besoin de partager les informations en temps réel. Parce que si l’on attend trop pour pointer d’autres télescopes, le phénomène a disparu. » À chaque alerte, c’est ainsi une course contre la montre qui s’engage pour la communauté.

Astro-COLIBRI, une plateforme pour toutes les détections

Pour mettre toutes les chances de leur côté, les astronomes placent désormais leur quête sous le signe de la collaboration. Aujourd’hui, la quasi-totalité des observatoires qui étudient le ciel transitoire émettent des alertes publiques pour informer la communauté internationale. Et plusieurs outils ont vu le jour pour faciliter le partage des informations. La plateforme Astro-COLIBRI, créée en 2017 par Fabian Schüssler et ses collègues, en est un exemple. Cet outil a pour but de recenser toutes les détections réalisées dans toutes les longueurs d’onde et tous les messagers en temps réel. L’ensemble de ces détections sont mises à disposition dans une base de données commune et facile d’accès, disponible sur le web et sur une application mobile.

Astro-COLIBRI est né d’un constat : avant 2017, « il fallait un certain temps pour réaliser qu’il y avait une corrélation entre une détection de neutrinos et de sursaut gamma. Le problème est que les données étaient dispersées sur des plateformes différentes et n’étaient pas disponibles dans les mêmes formats. Il y avait donc tout un travail de conversion à réaliser. » L’idée vient alors de créer un programme réunissant toutes les informations sur les événements transitoires. Astro-COLIBRI rencontre vite le succès. Actuellement, plusieurs dizaines d’alertes issues de nombreux observatoires sont partagées chaque jour via le programme, qui compte 25 000 utilisateurs et utilisatrices. La plateforme donne la possibilité de sélectionner les phénomènes d’intérêt et de recevoir des notifications pour alerter de nouvelles détections.

Régulièrement, Astro-COLIBRI s’enrichit de nouveaux outils pour faciliter le suivi des événements, comme Tilepy, aussi créé par l’équipe de Fabian Schüssler. Cet outil traite les informations de localisation des alertes afin de guider les observations. « La particularité des phénomènes transitoires, surtout avec les ondes gravitationnelles, est qu’ils sont mal localisés dans le ciel », relève l’astrophysicien. En résultent des zones d’incertitude relativement larges et qui ne sont pas faciles à couvrir de manière rapide avec un télescope. À partir des informations disponibles, Tilepy calcule un plan d’observation optimisé pour réduire efficacement la zone d’incertitude. « Il ne reste alors plus qu’à pointer l’observatoire vers les coordonnées indiquées. »

Améliorer la détection des messagers

Dans cette quête de l’astronomie transitoire, tisser des réseaux collaboratifs est devenu une stratégie essentielle pour répondre le plus efficacement possible aux alertes. Mais encore faut-il qu’il y en ait. C’est pourquoi les scientifiques œuvrent aussi à améliorer la détection de chaque messager pour ne manquer aucun signal. C’est justement la mission d’Angélique Lartaux, chercheuse au Laboratoire de physique des deux infinis – Irène Joliot-Curie (IJCLab – Univ. Paris-Saclay/Univ. Paris-Cité/CNRS) spécialisée dans la détection des ondes gravitationnelles. « Travailler sur les détecteurs est très intéressant. Parce que si l’on gagne un facteur deux en sensibilité, cela représente un facteur huit en volume de détection, c’est presque dix fois plus d’événements accessibles. » 

Les ondes gravitationnelles sont détectées par des installations appelées interféromètres. Leur objectif est de mesurer les interférences qui les traversent grâce à un laser divisé en deux faisceaux et réfléchi par des miroirs. Lorsqu’une perturbation de l’espace-temps atteint la Terre, les distances parcourues par les faisceaux se retrouvent modifiées. On observe alors un déphasage du laser. La difficulté est que ces instruments mesurent des mouvements très fins et sont donc très sensibles à la moindre perturbation. « Mon travail consiste à réduire certains bruits au sein du détecteur. À cause de la température, par exemple, les miroirs ont tendance à bouger », décrypte la chercheuse. « Je travaille aussi sur un autre bruit qui est lié aux fluctuations quantiques de la lumière et qui a pour effet de changer la lumière reçue à un instant t.»

Les performances de LIGO et Virgo, rejoints par le détecteur japonais KAGRA (Kamioka gravitational wave detector), témoignent déjà de progrès considérables. Depuis 2015, quatre campagnes de prise de données ont été réalisées. Alors que la première ne compte que trois événements, la dernière, achevée en novembre 2025, franchit le seuil des 200 détections. Plus important, cette campagne met en évidence le signal le plus clair jamais détecté d’une fusion de trous noirs. « L’événement est très similaire au premier observé en 2015 mais le rapport signal/bruit est dix à cent fois meilleur et c’est grâce à l’amélioration des détecteurs », souligne Angélique Lartaux. Pour l’heure, ces progrès n’ont pas suffi à renouveler l’exploit de 2017. Mais les données recueillies livrent des informations précieuses pour approfondir les modèles astrophysiques et les connaissances sur les trous noirs et les étoiles à neutrons. Ces mêmes informations aident également à envisager l’avenir de la détection des ondes gravitationnelles. 

Depuis mars 2026, Angélique Lartaux est porte-parole adjointe de la collaboration Einstein Telescope qui ambitionne de devenir l'observatoire européen le plus avancé dans le domaine. Cette installation prévoit, pour cela, de faire appel à différentes innovations dont une infrastructure souterraine. Elle sera également équipée de bras de dix à quinze kilomètres de long, contre trois et quatre kilomètres pour Virgo et LIGO. « Plus les bras sont longs, mieux on détecte. » L’observatoire devrait voir le jour à l’horizon 2040 mais le projet n’est encore qu’à la phase de préparation. Ni la localisation, ni la géométrie de l’installation ne sont pour le moment choisies. Deux possibilités sont à l’étude : une géométrie en triangle, avec trois doubles-détecteurs, ou en forme de L, avec deux doubles détecteurs. « Notre rôle est de ressortir les avantages et les inconvénients des deux géométries du point de vue scientifique », précise la chercheuse. L’objectif avec Einstein Telescope est « d’observer quasiment toutes les fusions de trous noirs jusqu’aux premiers instants de l’Univers ».

SVOM sur la piste des sursauts gamma

Si l’avenir se prépare avec des projets comme Einstein Telescope, de nouvelles missions spatiales ont déjà pris leur envol pour scruter le ciel transitoire. C’est le cas de la mission franco-chinoise SVOM (Space-based multi-band astronomical variable objects monitor) qui célèbre en juin 2026 son deuxième anniversaire. Actuellement en orbite à 625 km d’altitude, le satellite SVOM se consacre à l’étude des sursauts gamma. Il dispose pour cela de quatre instruments principaux, dont le télescope à grand champ ECLAIRs et le détecteur gamma GRM (Gamma-ray burst monitor). « Ces instruments servent à détecter en temps réel les sources de haute énergie en rayons gamma et en rayons X, et à les localiser dans le ciel », décrypte Damien Turpin, chercheur au Département d’astrophysique (DAp - Univ. Paris- Saclay/CEA) du CEA Paris-Saclay et responsable des opérations scientifiques de SVOM. Charge ensuite aux deux autres télescopes, MXT (Microchannel X-ray telescope) et Visible Telescope, de couvrir la zone ciblée dans leur gamme de longueurs d’onde.

Inspiré par le satellite américain Swift, SVOM est une plateforme hyper-versatile. À la moindre alerte détectée, il est capable de repositionner automatiquement ses télescopes vers la bonne direction. La mission a également la particularité d’inclure un réseau d’antennes disposées sous la trace du satellite, pour recevoir en temps réel le statut des instruments et les informations d’alerte. À cela s’ajoutent deux télescopes robotiques - l’un au Mexique, l’autre en Chine - ainsi qu’un réseau de petits télescopes pointés vers la même région du ciel que celle observée par ECLAIRs. « C’est la plus-value de SVOM d’avoir un segment sol intégré, mais aussi des collaborations privilégiées avec de grands télescopes comme le Very Large Telescope au Chili. » Comme avec les ondes gravitationnelles, l’objectif est de diffuser les alertes de SVOM pour appeler la communauté à suivre l’événement, le plus vite possible.

Deux ans après son lancement, la mission fait déjà ses preuves. En 2025, ECLAIRs totalise 51 sursauts gamma détectés à bord. Plus de la moitié d’entre eux sont caractérisés par une mesure du décalage vers le rouge (en anglais, redshift), qui informe sur la distance à laquelle s’est produit l’événement. Autre fait marquant : en mars 2025, l’instrument enregistre GRB 250314A, l’un des sursauts gamma les plus lointains collectés. Il proviendrait d’une étoile ayant explosé alors que l’Univers n’avait que 730 millions d’années, et dont le signal aurait voyagé pendant treize milliards d’années avant d’atteindre ECLAIRs. « Cela fait douze ans qu’on n’avait pas détecté une explosion aussi lointaine. » Cette observation met aussi à l’épreuve la chaîne de détection. Après l’alerte d’ECLAIRs, MXT et VT ont mis quelques centaines de secondes à démarrer l’observation. Mais il a fallu attendre un délai de dix-sept heures pour que de grands télescopes sur Terre en fassent de même. « C’est l’un de nos objectifs : développer la chaîne de détection pour réduire les délais. »

« Les sursauts gamma sont un laboratoire super intéressant parce qu’on observe des phénomènes qui sont à l’échelle de temps humaine. Mais cela signifie qu’il faut être prêt 24 heures sur 24 et sept jours sur sept pour ne rien manquer », ajoute Damien Turpin. Par chance, l’histoire de GRB250314A ne s’arrête pas là puisque, 110 jours plus tard, le télescope spatial James Webb parvient à capter la supernova associée. Ce type d’observations est utile pour approfondir les connaissances sur les sursauts et leur origine. Selon les recherches, il en existe plusieurs types : les sursauts gamma courts – inférieurs à deux secondes - et les sursauts gamma longs. Les premiers seraient produits par une fusion d’étoiles à neutrons tandis que les seconds seraient issus de la mort d’une étoile massive. « C’est donc très important pour nous de savoir s’il y a une supernova associée pour valider le scénario astrophysique. » Tandis que SVOM s’apprête à marquer la science des sursauts gamma, un autre observatoire, dont la mise en service est attendue depuis longtemps, devrait ouvrir un nouveau chapitre dans le monde de l’astronomie collaborative.

Des millions d’alertes astronomiques à trier

Perché sur une montagne du Chili, l’observatoire Vera C. Rubin est une installation hors normes dans le paysage astronomique, qui affiche un champ d’observation équivalent à quarante fois la surface de la pleine Lune et une caméra d’une résolution de 3,2 milliards de pixels. Avec ses instruments, l’expérience Legacy Survey of Space and Time (LSST) prévoit de produire, toutes les trois nuits, un relevé complet du ciel austral, à raison de 800 clichés par nuit. Si ces données devraient aider à élucider des mystères cosmologiques comme l’énergie noire (voir l’article Recherche paru dans L’Édition 26), l’observatoire ouvre aussi une fenêtre sans précédent sur les phénomènes transitoires. Mais ces performances d’un nouveau genre impliquent des défis tout aussi inédits. 

Julien Peloton, ingénieur de recherche à l’IJCLab, en sait quelque chose. Depuis plusieurs années, il travaille à développer un outil capable d’ingérer le volume de données de LSST, qui s’annonce colossal comparé aux expériences précédentes. « Dans les années 2010, les meilleures installations émettaient quelques centaines d’alertes de détection par nuit. Puis on est monté à 100-200 000 alertes. L’observatoire Rubin propose d’en faire dix millions. C’est clairement un ordre de grandeur au-dessus », explique l’ingénieur. Comment faire le tri dans ces millions d’alertes ? En 2019, alors que l’observatoire est encore en construction, un appel est lancé pour trouver une solution. Julien Peloton y répond avec le projet Fink.

Fink est un logiciel qui ne se contente pas de recevoir le flux de données des équipements auxquels il est connecté. C’est ce qu’on appelle un broker (en français, un gestionnaire d’alertes). Une fois reçu, le flux est découpé en « paquets d’alertes » qui sont envoyés à des machines différentes pour être traités, analysés et enrichis. Le but est, à partir des informations factuelles extraites des alertes, de qualifier avec précision les variations détectées et les phénomènes associés. Les données sont ensuite stockées, classées et mises à disposition. Grâce à des filtres, « les utilisateurs et utilisatrices ont la possibilité de faire leur propre recette de cuisine pour n’obtenir que les signaux qui les intéressent. » En fonction des choix, les alertes leur sont alors envoyées via une application ou sont récupérées directement sur la base de données de Fink, hébergée sur les clouds de l’Université Paris-Saclay et du Centre de calcul de l'Institut national de physique nucléaire et de physique des particules (IN2P3), et disponible en accès libre.

Pour développer le broker, l’équipe s’est appuyée sur un autre observatoire, le Zwicky transient facility (ZTF) situé en Californie. Bien qu’il n’émette « que »200 000 alertes par nuit, « ZTF est comme un mini Rubin à tous points de vue », précise Julien Peloton. À partir de flux de données, dont celui de ZTF, Fink s’est construit brique par brique, avec une approche communautaire. « On a demandé à des expertes et experts de nous expliquer comment détecter leurs sources d’intérêt : supernova, sursauts gamma, etc. Cela a créé une sorte de puzzle qu’on a rempli au fur et à mesure. » En quelques années, l’équipe passe de deux personnes à plus de 150 contributeurs et contributrices issues d’une vingtaine de pays, faisant progressivement évoluer l’outil. 

Ne restait plus alors pour Fink qu’à sauter dans le grand bain. C’est maintenant chose faite avec la mise en service de l’observatoire Rubin. Dans la nuit du 24 au 25 février 2026, l’installation émet ses premières alertes officielles : 800 000 en quelques heures. Et le passage à l’échelle se fait remarquer. « On a enregistré un tsunami de gens sur la base de données », sourit Julien Peloton. « En l’espace de deux semaines, on a eu plus d’un million de requêtes par jour, contre environ 100 000 avant. » Bien qu’il soit toujours en phase de mise en service, l’observatoire est depuis passé à plusieurs millions d’alertes par nuit. Du travail en perspective pour Fink, qui est l’un des sept brokers développés pour traiter le flux de LSST. 

Intégré à d’autres plateformes, dont Astro-COLIBRI, Fink ne réserve pas ses performances à LSST puisqu’il possède des extensions dans bien d’autres projets. « Fink est déjà utilisé par d’autres collaborations dont LIGO/Virgo/KAGRA, SVOM et GRANDMA. » Lancé en 2018 sous l’impulsion de Sarah Antier, enseignante-chercheuse à l’IJCLab, GRANDMA (pour Global rapid advanced network devoted to the multi-messenger addicts) est un réseau international de vingt-cinq télescopes dédié à l’astronomie transitoire et au suivi des alertes. « Le mot d’ordre aujourd’hui est vraiment la coopération », confirme Julien Peloton. Ces efforts seront-ils bientôt récompensés par une autre détection exceptionnelle ? « Les dernières années n’ont pas été aussi prolifiques en événements multimessagers que 2017, mais on y croit toujours et la communauté est prête à accueillir le prochain événement ! », conclut Damien Turpin. 

Références

• F. Schüssler et al., Astro-COLIBRI: A Comprehensive Platform for Real-Time Multi-Messenger Astrophysics, Proceedings of Science, 2025.
• A. Abac et al., The Science of the Einstein Telescope, Journal of Cosmology and Astroparticle Physics, 2026.
• A. Abac et al., GWTC-4.0: An Introduction to Version 4.0 of the Gravitational-Wave Transient Catalog, Astrophysical Journal Letters, 2025.
• B. Cordier et al., SVOM GRB 250314A at z ≃ 7.3: An exploding star in the era of re-ionization, Astronomy and Astrophysics, 2025.
• Fraga et al., Transient classifiers for Fink Benchmarks for LSST, Astronomy and Astrophysics, 2024.