La fusion d'étoiles à neutrons observée pour la première fois

Il y a environ 130 millions d'années, deux étoiles mortes sont violemment entrées en collision et ont provoqué une série d'événements cosmiques qui, depuis deux semaines, ont passionné les astronomes. Lors d'une conférence de presse internationale, des scientifiques ont aujourd'hui annoncé la première détection d'ondes gravitationnelles provoquées par la fusion de deux étoiles à neutron.

D'abord théorisées par Albert Einstein en 1916, les ondes gravitationnelles sont une sorte de distorsion de l'espace-temps causée par de violents événements cosmiques. Jusqu'à présent, toutes les détections confirmées concernaient la collision de deux trous noirs, qui ne laissaient pas de trace visible dans le ciel.

Mais avec ce dernier événement, les équipes internationales de plus de 70 observatoires ont pu remonter la trace du cataclysme sur de multiples longueurs d'ondes de lumière, permettant aux astronomes d'observer la source de ces vagues cosmiques pour la toute première fois.

« Nous avons observé un phénomène nouveau qu'aucun homme n'avait observé auparavant », explique Andy Howell de l'Université de Californie à Santa Barbara. « C'est absolument extraordinaire en ce sens que nous n'en verrons probablement pas d'autre dans notre vie. »

Contrairement aux trous noirs, les étoiles à neutrons expulsent des éléments métalliques lorsqu'elles entrent en collision. Des débris radioactifs ont pu être observés au télescope - il suffisait de savoir où regarder.

« Nous avions le sentiment que l'univers tremblait du fait de la collision de ces deux étoiles à neutrons, et cela nous a permis de pointer nos télescopes dans la bonne direction,» continue Andy Howell, dont l'équipe a chassé les étoiles liées aux signaux d'ondes gravitationnelles. 

Environ 3 500 personnes ont participé à la détection de cet événement cosmique et ont travaillé aux conclusions astrophysiques qui s'imposaient. Le résultat de ce projet titanesque a été publié en 40 feuillets dans plusieurs journaux scientifiques, dont Science et Physical Review Letters. Ces différentes observations aident d'ores et déjà les astronomes à vérifier les théories physiques sur l'origine de l'or et d'autres éléments lourds dans le cosmos. Des découvertes rendues possibles grâce au développement de l'astronomie gravitationnelle.

LE TEMPS DE L'AVENTURE 

La première preuve de l'existence d'ondes gravitationnelles était indirecte et datait de 1974. Mais observer ces vagues de l'espace-temps a été une course en avant pendant des décennies, parce que leur effet sur la Terre est minime, de l'ordre d'une fraction de la largeur d'un noyau atomique.

Pour ressentir ce tout petit mouvement aux confins du cosmos, les chercheurs ont créé le Laser Interferometer Gravitational-wave Observatory, plus connu sous l'acronyme LIGO. En septembre 2015, les deux détecteurs de LIGO ont détecté la subtile fluctuation provoquée par la collision de deux trous noirs survenue il y a plus d'un milliard d'années.

La puissance de cette collision a dévié le tissu de l'espace-temps et produit des ondulations. Se déplaçant à la vitesse de la lumière, il leur a fallu plus d'un milliard d'années pour modifier de manière presque imperceptible les distances entre deux ensembles de miroirs au sein de chacun des détecteurs de LIGO.

Par un matin d'août 2017, les détecteurs de LIGO ont détecté un événement nouveau. Des ongles gravitationnelles qui n'étaient pas cette fois le fruit de la collision de deux trous noirs, mais de la fusion de deux étoiles mortes. Deux secondes après la détection de ces signaux, le télescope Fermi Gamma-ray Space Telescope (FGST) de la NASA a capté des rayons gamma venant de la même région du ciel. D'à peine plus de deux secondes, la lumière de ces rayons gamma ressemblait à un sursaut gamma - le genre d'explosion cosmique induite par la collision de deux étoiles à neutrons.

Coïncidence ? Pour l'équipe LIGO-Virgo, c'était peu probable. L'équipe a envoyé l'équivalent astronomique d'un bat signal, disant aux observateurs que s'ils surveillaient le ciel dans l'immédiat, ils pourraient observer des débris résultant du mutuel anéantissement des étoiles et que pour la première fois, ils pourraient voir se créer des ondes gravitationnelles.

Ce signal a réuni les équipes d'astronomes du monde entier, tous étaient plus qu'heureux de pouvoir participer à la reconstitution de ce puzzle cosmique. Mais avant tout, il leur fallait savoir où pointer leurs précieux outils.

DANSE AVEC LES ÉTOILES

C'est là que Charlie Kilpatrick, post-doctorant à l'université de Californie, à Santa Cruz, est entré dans la danse. Après la détection d'ondes gravitationnelles et de rayons gamma, Charlie Kilpatrick et ses collègues ont rapidement dû se mettre au travail pour déterminer quelles pouvaient être les galaxies à l'origine de ces signaux.

Ils avaient à leur disposition un petit télescope basé au Chili. Dès que le ciel chilien s'est assombri, ils l'ont pointé sur chacune des galaxies en question et ont cherché des signes d'activité. Mais ils devaient faire vite : cette portion du ciel ne serait visible qu'une à deux heures. Environ dix heures après le signal lancé par l'équipe LIGO-Vigo, la cinquième galaxie que Charlie Kilpatrick a observé était anormalement scintillante et lumineuse. Un signe s'il en est qu'un événement majeur s'était produit alentours. L'équipe a envoyé un télégramme alertant les autres équipes de cette découverte. Dans les 42 minutes qui suivirent, cinq autres groupes, dont celui d'Howell, avait la galaxie dans le viseur.

Les jours qui suivirent, une flotte d'observateurs se sont joint à la danse internationale. Pendant des semaines, la source des ondes gravitationnelles, près de la galaxie ovale appelée NGC 4993, a été la plus regardée du ciel.

Dans cette région du cosmos, deux étoiles à neutrons se tournaient autour depuis des siècles, dans une danse lancinante qui devait se terminer en une fraction de secondes. La collision a été si violente qu'elle a distordu l'espace-temps, créant des ondes gravitationnelles qui ont parcouru le cosmos jusqu'à nous.

BIG BANG THEORY

Grâce à la rapide détection de la galaxie à observer, les scientifiques ont pu étudier l'explosion à travers le spectre électromagnétique avec tous les outils à leur disposition, des ondes radio aux rayons gamma. Cette fusion résout un débat de longue durée sur les origines cosmiques des éléments aussi précieux que l'or, la platine et le néodyme, que les scientifiques ont utilisé pour construire les lasers du LIGO.

Pendant un long moment, les scientifiques ont pensé que ces métaux étaient forgés dans le coeur de larges étoiles qui mourraient d'une mort explosive. Mais des travaux plus récents suggèrent que de telles supernovas n'auraient pu projeter tant de matériaux dans l'univers. La fabrication-même de ces éléments requiert en fait un excès de neutrons, une des particules qui composent un noyau atomique. Et comme on peut le supposer, ces étoiles à neutrons entrant en collision libèrent en mourant des quantité énormes de neutrons.

En étudiant l'explosion par infrarouge, les équipes ont déterminé que les débris contenaient au moins l'équivalent de 10 000 Terres de métaux précieux.

« Ces événements pourraient être à l'origine de tout l'or et des métaux précieux que l'on trouve aujourd'hui dans l'univers », estime Enrico Ramirez-Ruiz de l'université de Californie, à Santa Cruz. Les observations, dit-il, sont « à couper le souffle, la quantité et la qualité des données sont fabuleuses.»

Cependant, des zones d'ombres persistent. Pour commencer, on ne sait pas exactement ce qu'il reste de ces deux étoiles à neutrons après leur rencontre mortelle. Tout ce que nous savons c'est que la masse résultant de la collision est de l'ordre de 2,6 fois aussi grande que le soleil.

Compte tenu de cette masse, et l'origine des étoiles à neutrons, le résultat est probablement un trou noir, explique Feryal Ozel, elle aussi de l'université de Californie, à Santa Cruz. D'autres pistes moins probables incluent une étoile à neutrons anormalement hyper-massive. De quoi remettre en question la perception physique que les scientifiques se font des étoiles à neutrons.