Etoiles à neutrons : une fusion révélatrice

Collision de deux étoiles à neutrons Crédit : ESA, CC BY-SA 3.0 IGO

Des ondes gravitationnelles émises lors de la fusion de deux étoiles à neutrons, et non de deux trous noirs comme dans les cas précédents, ont été observées pour la première fois, fournissant une foison de réponses à bien des mystères.

L’événement s’est produit le 17 août 2017 à 14 heures et 41 minutes (heure de Paris). Les ondes ont été enregistrées par les deux détecteurs américains LIGO (Louisiane et Etats de Washington), et l’instrument européen Advanced Virgo, situé près de Pise (Italie).
Il a été remarquable sur plusieurs plans.
D’abord, outre le fait qu’il ait été le fruit de la fusion de deux étoiles à neutrons, il a été suivi pendant près de 2 secondes par un sursaut gamma, un flash de rayonnement très énergétique.
Par ailleurs, la source d’ondes gravitationnelles a émis de la lumière, observée pendant plusieurs semaines par quelque 70 autres observatoires sur Terre et dans l’espace, une réalisation saluée par le Centre national de la recherche scientifique (CNRS), très impliqué dans cette découverte, comme « l’avènement d’une astronomie dite ‘multi-messagers' ».
Ainsi, par exemple, le sursaut gamma, a été enregistré par le satellite Fermi de la Nasa et le satellite Integral de l’Agence spatiale européenne (ESA), dont le spectromètre a été construit par le Centre national d’études spatiales (Cnes). Emis deux secondes après les ondes gravitationnelles, il est lié au même événement, selon les auteurs d’une dizaine d’articles scientifiques, publiés le 16 octobre 2017 et signés notamment par de nombreux chercheurs de laboratoires du CNRS.

Images prises par le télescope spatial SWIFT de la Nasa le 18 août 2017 montrant la fusion de deux étoiles à neutrons dans la galaxie NGC 4993 (encadré), environ 15 heures après la détection d'ondes gravitationnelles et d'un sursaut gamma. (encadré : vues magnifiées de la galaxie). Crédit : NASA/Swift

Images prises par le télescope spatial SWIFT de la Nasa le 18 août 2017 montrant la fusion de deux étoiles à neutrons dans la galaxie NGC 4993 (encadré), environ 15 heures après la détection d’ondes gravitationnelles et d’un sursaut gamma. (encadré : vues magnifiées de la galaxie).
Crédit : NASA/Swift

La masse des deux objets entrés en fusion, dans la galaxie NGC 4993, située à environ 130 millions d’années-lumière de la Terre dans la constellation Hydra, était comprise entre 1,1 et 1,6 fois la masse du Soleil.
Les étoiles à neutrons, les plus petites étoiles et les plus denses connues à ce jour, sont des vestiges d’étoiles massives. Lorsqu’une étoile géante meurt en explosant, elle donne naissance à une supernova, un phénomène très lumineux. Après l’explosion, il ne reste qu’un cœur dense composé uniquement de neutrons, une étoile à neutrons.
Cette observation a permis de fournir « une solution à l’énigme des sursauts gamma et à celle de l’origine des éléments chimiques les plus lourds – comme le plomb, l’or ou le platine –, en passant par l’étude des propriétés des étoiles à neutrons ou par une mesure indépendante de la vitesse d’expansion de l’Univers », a souligné le CNRS dans un communiqué.

Illustration montrant le nuage de débris se dégageant de l'étoile à neutrons, chaud, dense et en expansion   Crédit : Nasa

Illustration montrant le nuage de débris se dégageant de l’étoile à neutrons, chaud, dense et en expansion
Crédit : Nasa

La formation des métaux lourds

L’observation de cet événement a en effet intéressé les scientifiques pour élucider certains mystères.
Ainsi, selon les modèles, la matière éjectée par la fusion de deux étoiles à neutrons est le siège de réactions nucléaires aboutissant à la formation de noyaux atomiques plus lourds que le fer (comme l’or, le plomb, etc.). Cette matière très chaude et radioactive se disperse et émet de la lumière au fur et à mesure que la matière refroidit en se dispersant. Ce phénomène appelé kilonova, était seulement prédit, jusqu’à présent, par la théorie. Il serait ainsi confirmé « de manière convaincante » et l’on « a donc observé ce qui est sans doute le principal processus de formation des éléments chimiques les plus lourds de l’Univers ! », estime le CNRS.

Les ondes gravitationnelles

Advanced Virgo, principalement cofinancé par le CNRS en France et l’Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (INFN) en Italie, avaient déjà enregistré, avec les LIGO américains, des ondes gravitationnelles. Elles avaient alors été provoquées par la fusion de deux trous noirs, qui avaient des masses égales à 25 et 31 fois celle du Soleil.

Vue aérienne de l'Observatoire Crédit : Vigo Collaboration

Vue aérienne de l’Observatoire
Crédit : Vigo Collaboration

Virgo, qui accueille également des équipes des Pays-Bas, de Pologne et de Hongrie, possède un détecteur, un interféromètre de Michelson, qui comporte deux bras de trois kilomètres de long.
Rappelons que le prix Nobel de physique 2017 a été décerné par l’Académie royale des sciences de Suède à Kip Thorne, Barry Barish – tous deux professeurs au Caltech (California Institute of Technology) – et Rainer Weiss (MIT – Massachusetts Institute of Technology), à l’origine de l’observatoire LIGO (Laser Interferometer Gravitational-wave Observatory). Celui-ci avait permis la première détection directe en 2015 de ces ondes prédites par la théorie de la relativité générale développée par Albert Einstein.