Publié le 25 octobre 2017
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La fusion de deux étoiles à neutrons visualisée à la fois par l’émission d’ondes gravitationnelles (distorsions de l’espace-temps, à gauche) et de lumière qui révèle différentes couches de matière (à droite). © Karan Jani/Georgia Tech

Le 16 octobre dernier, la collaboration LIGO-Virgo annonçait une série de découvertes suite à la détection de nouvelles ondes gravitationnelles le 17 août 2017. Directeur de l’équipe Virgo du LAL, Patrice Hello revient sur ce mois d'août exceptionnel et ses implications pour la recherche en astrophysique.

« C’est l’événement de l’année à plus d’un titre ! ». Comme toute la communauté des astrophysiciens, Patrice Hello, chercheur à l’Université Paris-Sud, reste très enthousiaste face à l’annonce récente de la collaboration LIGO-Virgo : des ondes gravitationnelles ont mis en lumière, pour la première fois, la fusion de deux étoiles à neutrons.

De nombreuses découvertes

Revenant sur l’historique de cette détection, le directeur de l’équipe Virgo du Laboratoire de l'Accélérateur Linéaire (LAL, CNRS/Université Paris-Sud, Université Paris-Saclay) reconnaît aussi que « le mois août a été assez exceptionnel » pour Virgo. Démarrant sa prise de données début août, la collaboration a ainsi réussi sa première détection conjointe avec LIGO dès le 14 août. Il s’agissait de la quatrième détection d’ondes gravitationnelles, signe d’une fusion de deux trous noirs. Ajouter le détecteur de Virgo aux deux de LIGO permet une bien meilleure localisation des sources des ondes gravitationnelles reçues : la recherche d’une contrepartie optique se fait alors dans une zone plus restreinte qu’auparavant, augmentant les chances de trouver la source exacte.

Lorsqu’une étoile géante meurt, elle explose en donnant naissance à une « supernova », un phénomène extrêmement lumineux mais transitoire. Le résidu de l’étoile qui a explosé est un cœur très dense composé presque uniquement de neutrons : une étoile à neutrons. Ces étoiles sont les plus petites et les plus denses connues à ce jour : de la taille d'une ville comme Londres pour une masse comparable à celle du Soleil. Une petite cuillère de la matière d’une étoile à neutrons pèse environ un milliard de tonnes !

Puis est venu le 17 août. À 14 h 41 (heure de Paris), les trois détecteurs des collaborations LIGO et Virgo repèrent une onde gravitationnelle inédite. La source est bien plus proche qu’habituellement, « à peine » 40 mégaparsecs (Mpc), soit plus de mille milliards de milliards de kilomètres, contre 300 à 400 Mpc pour les fusions de trous noirs détectées précédemment. Surtout, le signal détecté est bien plus long que dans le cas de la fusion de trous noirs (une centaine de secondes contre une fraction de seconde). Et, après analyse, les masses des objets en collision correspondent à deux étoiles à neutrons. « On attendait ce type de signal depuis le début », rappelle Patrice Hello. La détection d’une fusion de trous noirs, plutôt que d’étoiles à neutrons, avait en effet été une surprise pour les scientifiques, d’autant que les trous noirs étaient aussi plus massifs que prévus [Pour en savoir plus : voir notre article sur la première détection d’ondes gravitationnelles].

Une journée exceptionnelle

De manière indépendante, un flash de rayonnement très énergétique est observé ce jour-là par le satellite Fermi (NASA) puis confirmé par le satellite Integral (ESA). Il s’agit d’un phénomène relativement fréquent appelé « sursaut gamma court ». « Celui-ci était d’une intensité assez faible et n’aurait probablement intéressé personne si tout le monde n’avait pas été en alerte après le signal chez LIGO-Virgo », assure Patrice Hello. L’alerte automatique pour le sursaut gamma est en effet donnée à peine 1,7 seconde après la détection des ondes gravitationnelles ! Et l'analyse des données indique aussi une origine spatiale compatible avec la localisation par les détecteurs Virgo et LIGO. C’est la confirmation d’un lien entre certains sursauts gamma et les fusions d’étoiles à neutrons.

Un sursaut gamma est un flash de rayonnement très énergétique. Deux scénarios peuvent théoriquement produire de tels flashs : l’effondrement d’une étoile supermassive (qui donne un sursaut gamma long, de plus de 2 secondes) et la fusion de deux corps massifs, comme une étoile à neutron et un trou noir, ou deux étoiles à neutrons. C’est ce dernier cas qui a été observé le 17 août, avec un sursaut gamma court.

« Ce 17 août a vraiment été un jour de découvertes », s’enthousiasme le chercheur. En effet, le lien établi entre fusion des étoiles à neutrons et sursaut gamma permet d’utiliser les informations fournies par l’une pour étudier l’autre. La position de la source des ondes gravitationnelles faisant suite à la fusion est fournie par la collaboration LIGO-Virgo. Elle est plus précise que celle fournie par l’étude du sursaut gamma court et permet de se lancer à la recherche des suites de ce dernier dans une fenêtre de recherche plus réduite, d’autant que la distance de la source est aussi connue.

Plus de 70 observatoires, sur Terre et dans l’espace, braquent alors leurs instruments sur cette région du ciel de l'hémisphère austral, dans la constellation de l'Hydre. Grâce à tous ces instruments, toutes les longueurs d’onde sont observées, des rayons X aux ondes radio, en passant par la lumière visible. Les scientifiques ont alors repéré une « kilonova ». Comme une supernova (née de l’explosion d’une étoile géante), cette kilonova ressemble depuis la Terre à l’apparition d’une nouvelle étoile, un point lumineux dans notre ciel. Il s’agit en fait d’un phénomène constitué de matière très chaude et radioactive. Prédite par la théorie, cette kilonova n’avait encore jamais été observée, notamment car sa luminosité décroît très rapidement. La formidable réactivité du réseau de télescopes, aidée par la localisation plus précise, a enfin permis cette observation.

En plus d’un sursaut gamma court, la fusion de deux corps massifs provoque un phénomène appelé « kilonova », une forte éjection de matière chaude et radioactive. Cette matière est le siège de réactions nucléaires aboutissant à la formation de noyaux atomiques plus lourds que le fer, grâce à l'abondance de neutrons. L'or, le platine ou le plomb de notre Univers auraient été formés par ce type de phénomène. Même si ces éléments n’ont pas été repérés lors de la kilonova du 17 août, il est certain que du césium et du télurium ont été produits. Et le phénomène observé suit parfaitement les prédictions théoriques pour une kilonova. Une première !

Un changement de paradigme

En faisant appel à toutes les informations disponibles grâce à toutes les longueurs d’onde d’observation, mais aussi les ondes gravitationnelles ou encore les neutrinos, les scientifiques ouvrent la porte à une astrophysique « multi-messagers » qui promet de grandes découvertes. Mais au-delà de ces nombreux résultats scientifiques, ce que retient Patrice Hello est un changement dans la manière de travailler de la communauté astrophysique : « c’est la première fois dans notre domaine qu’autant d’équipes s’intéressent en même temps au même objet, travaillant de concert avec de nombreux instruments variés et produisant une publication commune à plus de 3000 auteurs ! » Véritablement internationale (même l’Antarctique est présent !), cette large communauté a pris seulement deux mois pour analyser toutes les données et écrire toutes les publications. « Face à cet engouement extraordinaire, on ne peut dire qu’une chose, assure Patrice Hello : vivement la prochaine prise de données ! » Celle-ci est prévu pour fin 2018, avec des instruments renforcés et encore plus précis.

De nombreux résultats scientifiques ont suivi la détection d’ondes gravitationnelles issues de la fusion de deux étoiles à neutrons. En plus de toutes les découvertes mentionnées ici, les scientifiques ont également pu, par exemple, mesurer d'une nouvelle manière la constante de Hubble, décrivant la vitesse d'expansion de l'Univers. Mais une question reste ouverte : aucune observation n’a pu préciser quel a été le produit final de la fusion des deux étoiles à neutrons. Trou noir léger, étoile à neutrons massive ? Avec leurs nouveaux instruments, Patrice Hello et son équipe espèrent pouvoir le découvrir lors de la prochaine détection d’une telle fusion !

Les publications scientifiques des collaborations LIGO et Virgo annonçant cette observation sont cosignées par 76 scientifiques de six équipes du CNRS et d'universités associées, dont l'Université Paris-Saclay avec le Laboratoire de l'accélérateur linéaire (CNRS/Université Paris-Sud). En plus des chercheurs de la collaboration Virgo, environ 160 chercheurs français font partie de collaborations d'astronomes (Antares, DECam, DLT40, ePESSTO, Fermi, GRAWITA, HESS, Integral, OzGrav, Pierre Auger et TZAC) qui ont participé aux découvertes, dont l'Institut de physique nucléaire d'Orsay (CNRS/Université Paris-Sud), Institut de recherche sur les lois fondamentales de l'Univers du CEA Paris-Saclay et le Laboratoire Leprince-Ringuet (CNRS/École polytechnique), tous membres de l'Université Paris-Saclay.