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Une source d’ondes gravitationnelles énigmatique a été découverte par Ligo et Virgo

Juin 25, 2020 | economie | 0 commentaires



Une source d'ondes gravitationnelles énigmatique a été découverte par Ligo et Virgo

Le 14 août 2019, les détecteurs Ligo et Virgo ont mis en évidence l’arrivée des ondes gravitationnelles produites par une source distante de 780 millions d’années-lumière de la Voie lactée et baptisée GW190814. Provient-elle de la collision d’un trou noir stellaire avec la plus massive étoile à neutrons connue ou le plus petit trou noir connu ? Dans les deux cas, il faut revoir l’astrophysique de ces astres compacts.

Ondes gravitationnelles : leur détection expliquée en une minute  Ça y est, des ondes gravitationnelles ont été détectées. Ces fluctuations de l’espace-temps proviennent de la fusion de deux trous noirs d’environ 30 fois la masse de notre Soleil. Découvrez dans cette vidéo comment les scientifiques de Ligo ont pu effectuer ces premières mesures. 

Il y aura bientôt cinq ans que la première détection directe sur Terre des ondes gravitationnelles de la théorie de la relativité générale d’Einstein s’est produite, à savoir le 14 septembre 2015 — d’où le nom de cet évènement : GW150914 (GW pour Gravitational Wave, en anglais). Les membres de la collaboration Virgo et ceux de Ligo ont rapidement montré que le signal provenait des derniers évènements survenant quand deux trous noirs de masse stellaire formant un couple binaire se rapprochent en suivant une spirale, puis fusionnent en un seul astre compact (voir la vidéo ci-dessus).

Ce faisant, une partie de la masse totale des deux objets (ils contenaient chacun environ 30 fois la masse du Soleil) a été convertie en ondes gravitationnelles. Pour se donner une idée de l’énergie qu’un tel évènement représente, on peut imaginer que, si ces ondes gravitationnelles avaient été des ondes électromagnétiques, alors la source de la collision observée dans notre ciel en septembre 2015 aurait paru plus lumineuse que la pleine Lune alors que l’évènement s’est produit à environ 1,3 milliard d’années-lumière de la Voie lactée !

Les membres de la collaboration Ligo-Virgo en sont maintenant à la troisième campagne d’observation avec les détecteurs d’ondes gravitationnelles qui ont, entre temps, été rendus plus sensibles encore. Lors du « run O3 », selon l’expression des chercheurs, une nouvelle source d’ondes a été mise en évidence et ce, le 14 août 2019 à 23 h 10 heure de Paris comme on peut le constater via une publication dans The Astrophysical Journal que l’on peut consulter en accès libre sur arXiv.

Appelée GW190814, cette source a produit un signal dont les analyses menées notamment avec de savantes simulations sur ordinateur ont révélé aux physiciens qu’il provenait de la fusion dans un système binaire composé d’un trou noir, 23 fois plus massif que le Soleil et d’un objet beaucoup plus léger, environ 2,6 fois plus lourd que le Soleil. Cette collision a produit un trou noir final de 25 masses solaires.

Une étrange lacune dans la distribution de masse des astres compacts

Pour le profane, apparemment rien d’anormal ou de spectaculaire mais, pour les astrophysiciens relativistes, ces caractéristiques sont énigmatiques. En effet, nous n’avons jamais détecté de trous noirs stellaires aussi légers que 2,6 fois la masse du Soleil ou d’étoiles à neutrons aussi massives. La forme du signal de l’onde gravitationnelle mesurée est assez bavarde sur bien des choses concernant les masses et les moments cinétiques des astres compacts présents dans cet événement, événement qui s’est produit à environ 780 millions d’années-lumière de la Voie lactée en direction de la Constellation du Sculpteur, une constellation de l’hémisphère sud, peu lumineuse. Mais elle n’a pas permis de trancher entre les deux hypothèses concernant l’astre compact de 2,6 fois la masse du Soleil.

Il semble que l’on ait été en présence soit du plus petit trou noir stellaire découvert à ce jour, soit de l’étoile à neutrons la plus massive. Ce qui est certain est que l’objet débusqué vient de commencer à combler ce que l’on appelle le « mass gap » (ce qui peut se traduire par écart ou lacune de masse). Il correspond au fait qu’aucun astre compact de masse comprise entre 2,5 et 5 masses solaires n’avait été observé jusqu’à présent.

Pour mémoire, dans les deux cas, étoile à neutrons ou trou noir, ces objets se forment à l’occasion d’une explosion de supernova accompagnant un effondrement gravitationnel et on avait des raisons théoriques de suspecter qu’un trou noir de moins de 5 masses solaires ne peut pas être d’origine stellaire. Cependant, rien ne le démontrait, de sorte que le mass gap pouvait ne pas être réel. Il existe aussi une masse limite théorique pour les étoiles à neutrons mais également des incertitudes et des mystères quant à sa valeur réelle.

« La lacune de masse a été un casse-tête intéressant depuis des décennies, et maintenant nous avons détecté un objet qui s’inscrit juste à l’intérieur, explique, à ce sujet dans un communiqué du Ligo Laboratory (California Institute of Technology), Pedro Marronetti, directeur du programme de physique gravitationnelle à la National Science Foundation (NSF). Cela ne peut pas être expliqué sans défier notre compréhension de la matière extrêmement dense ou ce que nous savons de l’évolution des étoiles. Cette observation est encore un autre exemple du potentiel transformateur du champ de l’astronomie des ondes gravitationnelles qui met en lumière de nouvelles idées à chaque nouvelle détection ». 

Une simulation numérique crédible pour GW190814 montrant les ondes gravitationnelles rayonnées à l’ordre de plusieurs multipôles, dans le jargon des physiciens. On voit bien l’asymétrie de masse et donc de taille entre le grand trou noir stellaire et l’objet compact nettement plus petit. © Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik (Albert-Einstein-Institut)

Un nouveau territoire pour l’astrophysique relativiste

Le signal de GW190814 a été plutôt bien localisé sur la voûte céleste et il était excellent avec un rapport signal/bruit de 25 selon le jargon des astrophysiciens. On pouvait espérer surprendre enfin une collision entre une étoile à neutrons et un trou noir dont on pensait qu’elle aurait dû s’accompagner d’un signal observable dans le domaine des ondes électromagnétiques, comme ce fut le cas avec la fameuse kilonova associée à la source d’ondes gravitationnelle GW170817. 

Malheureusement, il n’en a rien été et il n’a pas été possible de faire de l’astronomie multimessager. Une explication possible doit peut-être être recherchée du côté du fait que l’on est vraiment devant le cas d’un système binaire fortement asymétrique puisque le rapport de masse entre les deux objets est de l’ordre de 9. Le gros trou noir aurait alors avalé très directement la petite étoile à neutrons comme dans un célèbre jeu vidéo, selon l’expression de Vicky Kalogera, membre de la Collaboration Ligo et professeure à la Northwestern University, et qui est rapportée dans un communiqué du laboratoire Artemis (CNRS-Université Côte d’Azur-Observatoire de la Côte d’Azur) : « Cela me fait penser à Pac-Man avalant une pac-gomme. Quand les masses du système sont très asymétriques, le trou noir peut ne faire qu’une bouchée de la petite étoile à neutrons. »

En tout cas, comme l’explique Giovanni Losurdo, de l’Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (INFN, Italie), le porte-parole de la collaboration Virgo : « Une fois encore, les observations d’ondes gravitationnelles nous amènent en terre inconnue. L’astre le plus léger de ce système a une masse encore jamais observée. Une nouvelle découverte et qui pose de nouvelles questions. Quelle est la nature de cet astre ? Comment un tel système binaire s’est-il formé ? Virgo, Ligo et, bientôt, Kagra au Japon, continueront à chercher les réponses et à repousser les limites de ce que nous savons sur notre Univers ». 

En attendant, le caractère exceptionnel de GW190814 a permis d’observer de nouveaux overtones, de sorte que la théorie de la relativité générale a été testée dans un nouveau régime de champ fort non-linéaire et là aussi, elle en est sortie victorieuse.

Ce qu’il faut retenir

  • Une nouvelle source d’ondes a été mise en évidence le 14 août 2019 avec les détecteurs d’ondes gravitationnelles.
  • Appelée GW190814, cette source a produit un signal provenant de la fusion dans un système binaire composé d’un trou noir, 23 fois plus massif que le Soleil et d’un objet beaucoup plus léger, environ 2,6 fois plus lourd que le Soleil.
  • Plus petit trou noir stellaire découvert à ce jour ou bien étoile à neutrons la plus massive, cet objet débusqué vient de commencer à combler le « mass gap » :  aucun astre compact de masse comprise entre 2,5 et 5 masses solaires n’avait été observé jusqu’à présent.
  • Comment interpréter cette découverte qui, tout en confirmant la théorie de la relativité générale, impose de repenser l’astrophysique des astres compacts relativistes ?
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