Comment avons-nous découvert les ondes gravitationnelles des «étoiles à neutrons»?

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Les rumeurs circulent depuis des semaines que des scientifiques ont détecté des ondes gravitationnelles – de minuscules ondulations dans l’espace et dans le temps – d’une source autre que la collision de trous noirs.

Maintenant, nous pouvons enfin confirmer que nous avons observé de telles ondes produites par la collision violente de deux étoiles massives et ultra-denses situées à plus de 100 mètres-années-lumière de la Terre.

La découverte a été faite le 17 août par le réseau mondial d’interféromètres à ondes gravitationnelles avancés – comprenant les deux détecteurs LIGO aux États-Unis et leur cousin européen, Virgo, en Italie. C’est extrêmement important, notamment parce que cela aide à résoudre certains grands mystères de l’astrophysique, y compris la cause des éclairs de lumière connus sous le nom de « sursauts gamma » et peut-être même l’origine des éléments lourds tels que l’or.

En tant que membre de la collaboration scientifique LIGO, j’ai immédiatement été ravi de voir les données initiales. Et la période qui a suivi a été la plus intense et la plus difficile, mais aussi incroyablement excitante, deux mois de ma carrière.

L’annonce intervient quelques semaines à peine après que trois scientifiques ont reçu le prix Nobel de physique pour leur travail de base menant à la découverte des ondes gravitationnelles, annoncé pour la première fois en février 2016. Depuis, la détection des ondes gravitationnelles – avec quatre autres événements de ce type détectés . Mais pour autant que nous sachions, la collision de trous noirs offre purement une fenêtre sur le côté obscur de l’univers. Nous n’avons pas pu enregistrer la lumière de ces événements avec d’autres instruments.

Mais GW170817 – le titre accrocheur de l’événement du 17 août – change tout cela. C’est parce que la source des vagues cette fois était deux « étoiles à neutrons » – des restes stellaires incroyablement denses de la taille d’une ville, chacun pesant plus que le soleil. Ces étoiles ont tourné autour l’une de l’autre à une fraction importante de la vitesse de la lumière avant de fusionner dans une collision cataclysmique que nous avons maintenant vue secouer le tissu même de l’espace et du temps.

Mystères résolus

Le concerto cosmique ne faisait que commencer. Les astronomes soupçonnent depuis longtemps que la fusion de deux étoiles à neutrons pourrait être l’ouverture d’un bref sursaut gamma – un éclair intense de lumière gamma qui libère plus d’énergie en une fraction de seconde que le soleil ne produira en dix milliards d’années . Pendant plusieurs décennies, nous avons observé ces sursauts gamma, mais sans savoir avec certitude ce qui les causait.

Cependant, seulement 1,7 seconde après l’arrivée des ondes gravitationnelles de GW170817 sur la Terre, le satellite Fermi de la NASA a observé une brève rafale de rayons gamma dans la même région du ciel. LIGO et Virgo avaient trouvé le pistolet fumant, et le lien entre les collisions d’étoiles à neutrons et les éclats de rayons gamma courts était finalement et clairement établi.

La combinaison des observations par ondes gravitationnelles et par rayons gamma a permis de déterminer la position de l’explosion cosmique à moins de 30 degrés carrés sur le ciel, soit environ 100 fois la taille de la pleine lune. Ceci, à son tour, a permis à tout un barrage de télescopes astronomiques sensibles à la lumière à travers tout le spectre électromagnétique de rechercher cette petite parcelle de ciel au lendemain de l’explosion. Et bien sûr, cela a été trouvé – dans un marigot démodé vers le bord d’une galaxie assez modeste appelée NGC4993 , dans la constellation d’Hydra.

Au cours des jours et des semaines qui ont suivi, les astronomes ont regardé les braises de l’explosion briller de mille feux , correspondant parfaitement au motif attendu d’ un soi-disant «kilonova» . Ceci est produit lorsque le matériau riche en particules subatomiques connu sous le nom de neutrons de la fusion initiale est éjecté à grande vitesse par le sursaut gamma. Cela pénètre dans la région environnante de l’espace, déclenchant la production d’éléments radioactifs lourds.

Ces éléments instables se décomposent généralement en un état stable en émettant un rayonnement. C’est ce qui provoque la lueur du kilonova, que nous avons maintenant confirmé en le cartographiant dans les moindres détails. Nos observations corroborent également la théorie selon laquelle les produits finis stables de ces chaînes de réactions comprennent de grandes quantités de métaux précieux comme l’or et le platine. Bien que nous ayons suspecté que les étoiles à neutrons jouent un rôle clé dans la production de ces éléments dans l’espace , cette hypothèse est maintenant beaucoup plus convaincante. En effet, le kilonova formé à partir des braises de GW170817 aurait pu produire autant d’or que toute la masse de la Terre, soit 1 000 milliards de tonnes.

En observant un kilonova «de près et personnel» pour la toute première fois et en voyant à quel point il s’intègre dans le story-board astronomique qui a commencé avec la fusion des étoiles à neutrons, les astronomes ont fait un grand pas en avant dans la compréhension de ces événements cosmiques violents .

L’idée que nous sommes tous faits de poussière d’étoile est de plus en plus appréciée dans la culture populaire, des documentaires aux paroles de chansons. Mais le concept époustouflant que l’or de nos alliances et de nos montres Rolex est constitué de poussières de neutrons est sur le point de se concrétiser. Peut-être encore plus excitant, cependant, l’énorme potentiel maintenant débloqué par cette nouvelle approche radicale de l’étude du cosmos.

En travaillant ensemble – en utilisant des instruments fonctionnant non seulement sur tout le spectre de la lumière, mais aussi sensibles aux ondes gravitationnelles et même aux neutrinos – les astronomes sont prêts à ouvrir complètement une nouvelle fenêtre multi-messagers sur l’univers, avec beaucoup d’autres découvertes à faire et mystères cosmiques à résoudre. Par exemple, nous avons déjà utilisé nos observations pour effectuer la première mesure conjointe du taux d’expansion de l’univers, en utilisant à la fois les ondes gravitationnelles et la lumière. Notre article paraîtra dans Nature le 16 octobre.

Plus de résultats suivront sûrement bientôt. La nouvelle ère passionnante de l’astronomie multi-messagers a commencé en beauté.

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