Première observation d’une fusion d’étoiles à neutrons par LIGO-Virgo et de nombreux télescopes

Par Cécile Pérol / Publié le 16 octobre 2017

Des ondes gravitationnelles émises lors de la fusion de deux étoiles à neutrons ont été observées pour la première fois jeudi 17 août 2017, à 14h41 (heure de Paris) par les scientifiques de la collaboration LIGO-Virgo dans laquelle des équipes du Laboratoire d’Accélérateur Linéaire (CNRS/Université Paris-Sud) sont largement impliquées.

L’observation d’un signal d’ondes gravitationnelles d’un type nouveau, bien plus long que dans le cas de la fusion de trous noirs(1) (une centaine de secondes contre une fraction de seconde) et qui est accompagné de contreparties électromagnétiques sur une large gamme de longueurs d’onde (des rayons gamma aux ondes radio) ce qui a permis à 70 autres observatoires sur Terre et dans l’espace de suivre cet événement est une première mondiale. Cette découverte est annoncée ce lundi 16 octobre 2017, à l’occasion d’une conférence de presse commune LIGO-Virgo, à Washington et à Paris notamment. De nombreux articles scientifiques, écrits ou cosignés par les collaborations LIGO et Virgo, ou bien préparés par les télescopes partenaires qui ont réalisé des observations de suivi de la source découverte dans la galaxie NGC4993, sont rendus publics à cette occasion.

Une étoile à neutrons

Une étoile à neutrons est le résultat d’une supernova, c’est-à-dire de l’explosion d’une étoile géante en fin de vie. Lorsque celle-ci a épuisé son combustible nucléaire, les réactions de fusion s’arrêtent et plus rien ne vient contrebalancer la force de gravitation. L’étoile s’effondre sur elle-même, des neutrinos sont émis et l’onde de choc produite par l’effondrement expulse les couches externes chaudes qui émettent de la lumière. Au centre, il ne reste plus qu’un cœur composé presque entièrement de neutrons et très dense : l’équivalent d’une cuillère à café de cette matière nucléaire pèse environ un milliard de tonnes ! Les étoiles à neutrons sont les astres les plus petits connus à ce jour ; seuls les trous noirs sont plus compacts. Certaines étoiles à neutrons, dotées d’un champ magnétique très important, émettent un faisceau lumineux et tournent très rapidement sur elle-même. Le faisceau balaye donc l’espace comme un phare dans la nuit et peut être détecté si la Terre se trouve sur son chemin : on parle alors de pulsar.

 

Comme dans le cas des systèmes binaires de trous noirs, le signal attendu pour la fusion d’étoiles à neutrons est prédit avec précision par des calculs théoriques et il est recherché dans les données par des algorithmes spécifiques basés sur la méthode dite du « filtrage adapté ».

Quelques minutes après le passage de l’onde gravitationnelle détectée le jeudi 17 août 2017 à 14h41 (heure de Paris) et baptisé GW170817, le premier indice de la présence d’un « candidat » particulièrement intéressant est venu du détecteur LIGO-Hanford : l’analyse automatique de ses données favorisait clairement une fusion de deux étoiles à neutrons, en tous cas d’astres plus légers que tous les trous noirs connus à ce jour. Cette première indication s’est ajoutée à la réception d’un message d’alerte automatique envoyé par le satellite Fermi, en orbite autour de la Terre. En effet, celui-ci avait mis moins d’une minute pour annoncer la détection d’un sursaut gamma … observé deux secondes à peine après le signal enregistré par LIGO-Hanford !

Un sursaut gamma

Un sursaut gamma est une bouffée de photons énergétiques (appelés « gamma ») détectés pendant une courte durée (de quelques secondes à quelques minutes) en provenance d’une direction donnée du ciel. Environ un sursaut gamma par jour est observé. Sur le plan théorique, on pense que les sursauts les plus longs sont produits par l’effondrement gravitationnel d’une étoile géante produisant un trou noir ou une étoile à neutrons tandis que les sursauts courts seraient dus à la fusion d’étoiles à neutrons – un phénomène effectivement observé pour GW170817.

 

La localisation estimée de la source par le réseau LIGO-Virgo a été disponible cinq heures environ après le passage de l’onde gravitationnelle – région en vert foncée sur l’image. Elle est en accord avec les localisations obtenues d’une part par le satellite Fermi à partir du sursaut gamma qu’il a détecté (région en bleu foncé) et d’autre part par la comparaison des temps d’arrivée des rayons gamma dans les satellites Fermi et INTEGRAL (région en bleu clair). Et elle est beaucoup plus précise : environ 30 degrés carrés. C’est toujours une grande taille pour l’astronomie – de l’ordre d’une centaine de fois la pleine lune – mais c’est la localisation la plus précise à ce jour d’une source d’ondes gravitationnelles.


Cette image compare les différentes localisations dans le ciel de l’événement transitoire détecté le 17 août 2017 : à partir des signaux d’ondes gravitationnelles détectés par le réseau global de trois détecteurs Virgo-LIGO (régions colorées en vert) ; en utilisant le sursaut gamma enregistré par les satellites Fermi et INTEGRAL (région colorée en bleue) ; avec le télescope Swope qui le premier a découvert la contrepartie optique. Les encarts sur la droite montrent la galaxie NGC4993 : sur l’image du haut, prise presque 11 heures après les détections des ondes gravitationnelles et du sursaut gamma, une nouvelle source lumineuse (marquée par la mire) est visible ; elle est par contre absente de la photo du bas, prise environ trois semaines avant l’événement. © LIGO/Virgo/Collaborations signataires de l’article « Multi-Messenger Astronomy »

 

Cette carte du ciel est transmise aux télescopes partenaires des collaborations LIGO et Virgo qui vont l’utiliser pour chercher une contrepartie optique à GW170817. Contrairement au cas d’un système binaire de trous noirs dont la fusion ne devrait pas s’accompagner d’une émission électromagnétique, les étoiles à neutrons sont faites de matière et on s’attend à ce que leur fusion produise un bref sursaut gamma (comme celui enregistré par Fermi et INTEGRAL), suivi d’un phénomène appelé kilonova : les noyaux instables produits en quantité lors de la fusion se désintègrent en émettant de la lumière dont le spectre passe du bleu au rouge à mesure que la matière échauffée se refroidit en se diluant. Et, dans cet environnement riche en neutrons, des éléments chimiques lourds – comme le plomb, l’or ou le platine – se forment et sont éjectés dans l’espace.


Carte du monde montrant l’emplacement des détecteurs d’ondes gravitationnelles LIGO-Virgo (en jaune) et des observatoires qui ont participé au suivi de l’événement GW170817 (en bleu). © LIGO-Virgo



11 heures environ après la détection de GW170817, la collaboration 1M2H qui conduit des observations sur le télescope américain Swope situé au Chili annonce la découverte d’une nouvelle source lumineuse dans la galaxie NGC4993, située dans la constellation de l’Hydre à environ 130 millions d’années-lumière de la Terre.

Ce résultat est très rapidement confirmé par d’autres télescopes, notamment ceux de l’ESO au Chili et de Hubble en orbite autour de la Terre. Actuellement, la source a été détectée dans le visible, dans l’infrarouge, dans l’ultraviolet, dans le domaine des rayons X et en ondes radio ; les observations se poursuivent. La publication principale qui retrace la chronologie de cette découverte « multi-messagers » est signée par plus de trois mille scientifiques issus d’une soixante de collaborations.

Cette découverte est très riche et son annonce deux mois à peine après l’observation du signal GW170817 est le résultat d’un effort très important des collaborations LIGO et Virgo et de dizaines de collaborations partenaires. Parmi les plus importants résultats obtenus, on peut citer :

  • La confirmation qu’au moins certains sursauts gamma courts sont produits par la fusion de deux étoiles à neutrons – ce que la communauté scientifique suspectait depuis longtemps.
  • La première kilonova observée sur une très large gamme spectrale.
  • La preuve qu’une partie des éléments lourds présents dans l’Univers se sont formés lors de tels phénomènes cataclysmiques.
  • Une meilleure compréhension de la physique des étoiles à neutrons et la possibilité de tester certains modèles.
  • Une première estimation de la constante de Hubble (qui mesure le taux d’expansion de l’Univers), indépendante des mesures effectuées jusqu’à présent.

D’autres études sont en cours. Près de trente ans après les débuts de l’aventure, l’un des objectifs fixés dès l’origine par les scientifiques à l’origine du projet Virgo – notamment Alain Brillet (co-médaille d’or 2017 du CNRS) en France et Adalberto Giazotto en Italie – a été atteint : faire de l’astronomie multi-messagers incluant les ondes gravitationnelles une réalité. Le meilleur reste à venir !

Le Laboratoire de l’Accélérateur Linéaire (LAL, Université Paris-Sud / CNRS) est l’un des membres fondateurs de la collaboration Virgo. Historiquement, le groupe Virgo-LAL a été responsable de la construction des tubes à vide de grand diamètre qui forment les deux bras de 3 km de l’interféromètre et dans lesquels circulent les faisceaux laser, ainsi que d’une grande partie du software de l’expérience (contrôle longitudinal et angulaire de l’interféromètre, contrôle-commande du vide, outils softwares généraux...). Ses activités se répartissent entre deux pôles principaux : l’exploitation scientifique des données Virgo-LIGO et des activités plus centrées sur le détecteur.

 

La collaboration Virgo comprend plus de 280 physiciens et ingénieurs appartenant à 20 groupes de recherche européens différents : six du Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS) en France ; huit de l’Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (INFN) en Italie ; deux aux Pays-Bas dont le Nikhef ; le MTA Wigner RCP en Hongrie ; le groupe POLGRAW en Pologne ; l’Espagne avec l’Université de Valence ; enfin, le « European Gravitational Observatory », EGO, le laboratoire en charge du site du détecteur Virgo près de Pise ; EGO est financé par le CNRS, l’INFN et le Nikhef.

LIGO est financé par la NSF et piloté par les laboratoires Caltech et MIT, qui ont conçu LIGO et réalisé les projets LIGO « Initial » et « Advanced ». Le financement du projet Advanced LIGO est assuré par la NSF, avec des contributions importantes de l’Allemagne (Max Planck Society), du Royaume-Uni (Science and Technology Facilities Council) et de l’Australie (Australian Research Council). Plus de 1 200 scientifiques issus d’une centaine de laboratoires du monde entier participent à cet effort au sein de la collaboration LIGO, qui inclut la collaboration GEO et la collaboration australienne OzGrav. Les autres partenaires sont recensés sur la page http://ligo.org/partners.php.

 

Pour en savoir plus :
•    Lire l’article dans son intégralité sur le site du LAL : https://www.lal.in2p3.fr
•    Site internet de la collaboration Virgo : http://www.virgo-gw.eu

Contacts :
Patrice Hello - Responsable du groupe VIRGO au Laboratoire de l'Accélérateur Linéaire - LAL (UPSud/CNRS) - hello @ lal.in2p3.fr
Nicolas Arnaud - Chercheur CNRS au Laboratoire de l'Accélérateur Linéaire  - LAL (UPSud/CNRS) - narnaud @ lal.in2p3.fr

Note :

1. La fusion de deux trous noirs a été observée à quatre reprises jusqu’à présent : http://www.actu.u-psud.fr/fr/recherche/actualites-2017/ondes-gravitationnelles-quatrieme-fusion-de-trous-noirs-observee-par-ligo-virgo.html

Dernière modification le 17 octobre 2017