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Étoiles à neutrons : une fusion qui vaut de l’or

Guillaume Dubus, directeur du Programme national hautes énergies, n’y va pas par quatre chemins : « C’est tout simplement énorme ! » lâche-t-il presque incrédule. Le 16 octobre, la collaboration internationale LIGO-Virgo a en effet annoncé avoir observé pour la première fois la coalescence de deux étoiles à neutrons, en captant les ondes gravitationnelles émises lors de ce cataclysme stellaire. Après plusieurs observations de la fusion de deux trous noirs ces derniers mois, c’est une nouvelle démonstration de l’énorme potentiel de l’astronomie gravitationnelle naissante, pour laquelle Alain Brillet et Thibault Damour ont notamment reçu cette année la médaille d’or du CNRS, et qui a également fait l’objet du dernier prix Nobel de physique. Mais ce n’est pas tout. Car grâce à une localisation précise de la source du phénomène, les interféromètres Virgo et LIGO ont permis aux observatoires astronomiques, sur Terre et dans l’espace, de prendre le relais, observant ainsi cet événement cosmique sans précédent dans toutes les longueurs d’onde. À la clé, la résolution de plusieurs énigmes pluri-décennales et une avalanche de découvertes auxquelles, outre les scientifiques de la collaboration Virgo, plus de 150 chercheurs français ont contribué. La preuve que les spécialistes du ciel sont entrés de plain-pied dans l’ère de l’astronomie multi-signaux.
 
L’onde du 17 août

Tout commence le 17 août 2017, quand les trois interféromètres de LIGO-Virgo détectent le passage d’une onde gravitationnelle. Une fois de plus, leur sensibilité inouïe met en évidence l’infime déformation de l’espace-temps engendrée par un phénomène astrophysique ultra-énergétique. La fusion de deux trous noirs ? Non, pas cette fois. Mais celle de deux étoiles à neutrons, soit deux astres ultra-denses de la masse d’une étoile pour un rayon de 10 à 15 kilomètres, exclusivement composés de neutrons – l’un des constituants des noyaux atomiques – résultant chacun de l’explosion d’une étoile massive.

Comme le précise Benoît Mours, responsable scientifique du projet Virgo pour la France, « pendant plusieurs dizaines de secondes, nous avons enregistré un signal gravitationnel très clair, correspondant à la coalescence de deux étoiles à neutrons situées à 130 millions d'années-lumière de la Terre et présentant une masse comprise entre 1,1 et 1,6 masse solaire, qui ont fini de fusionner à 12 heures, 41 minutes et 4 secondes en temps universel. »

« Je suis très heureux d’assister à cet événement, témoigne Alain Brillet, concepteur de l’interféromètre Virgo, dont la mise en service dans sa configuration « Advanced », le 1er août dernier, a permis de multiplier par environ un facteur 10 la résolution spatiale de l’ensemble LIGO-Virgo. Après la fusion de deux trous noirs, celle de deux étoiles à neutrons était clairement la grande étape suivante, preuve que l’interférométrie gravitationnelle est réellement en train d’ouvrir une nouvelle fenêtre sur l’univers. » De son côté, Thibault Damour, grand artisan des développements analytiques qui ont permis de décrire la forme précise des signaux gravitationnels recherchés par LIGO-Virgo, s’enthousiasme pour les perspectives que laisse entrevoir cette nouvelle détection : « À travers les ondes gravitationnelles, nous sommes sensibles à la déformation des astres sous leurs effets de marée mutuels, à partir de quoi nous allons pouvoir sonder les propriétés fines de cette matière si exotique qui compose les étoiles à neutrons. »

Une preuve « servie sur un plateau »

Mais ce n’est pas tout. Car ce 17 août, précisément 1,7 seconde après que les détecteurs de LIGO-Virgo enregistraient leur précieux signal, le satellite Fermi captait à son tour ce que les spécialistes appellent un sursaut gamma court. En soi, rien de particulier : ces formidables bouffées de photons ultra-énergétiques, que le télescope spatial détecte en moyenne à raison d’une par semaine, sont connues depuis les années 1960, et l’on sait depuis 25 ans qu’elles ont une origine extragalactique. À ceci près que la coïncidence des deux observations faites dans la même région du ciel ne peut alors signifier qu’une chose : les sursauts gamma courts ont pour origine la fusion de deux étoiles à neutrons. « C’était jusqu’à maintenant une hypothèse, c’est désormais une certitude fondée sur un niveau de preuve rare en astronomie », se félicite Guillaume Dubus.

Et ironie du sort, après plusieurs décennies de doute, cette preuve a été servie aux observateurs « sur un plateau » par le cosmos. Car si la fusion d’étoiles à neutrons engendre des ondes gravitationnelles dans toutes les directions, le sursaut gamma qui s’ensuit n’est a priori visible qu’au sein d’un cône de quelques degrés. Traduction : « Nous avons eu énormément de chance que la Terre se trouve sur sa trajectoire, s’étonne presque l’astrophysicien, qui ajoute : C’est incroyable que la nature ait à ce point coopéré ! »

L’astronomie mondiale sur le pont

De fait, comme à chaque fois que Fermi détecte une bouffée gamma, une alerte a immédiatement été relayée à travers le monde, afin que d’autres observatoires tentent d’observer la contrepartie optique du phénomène dans une large gamme de longueurs d’onde. Sauf qu’avec une résolution d’environ 1 000 degrés carrés pour cet événement, c’est à la recherche d’une aiguille dans une botte de foin que le satellite conviait ses alter ego. Si bien qu’en l’état, l’information n’aurait mobilisé que peu de moyens. Mais grâce à LIGO-Virgo, la résolution a été ramenée à 30 degrés carrés, précision à laquelle a été ajoutée une estimation précise de la distance à laquelle s’est produit le phénomène. De quoi inciter toute la planète astronomique à braquer ses télescopes.
 
Ainsi, 10 heures après la fusion, le temps que la nuit tombe sur l’hémisphère Sud, le groupe 1MH2, avec le télescope Swope, au Chili, a annoncé la découverte d’un nouveau point lumineux situé très précisément dans la galaxie NGC4993, à 130 millions d’années-lumière de la Terre, ce que d’autres groupes ont immédiatement confirmé. S’en est suivie une quinzaine de jours d’observation durant lesquels les astronomes ont vu cette émission passer du bleu au rouge, en même temps qu’elle perdait en intensité, le tout agrémenté d’une émission radio environ une semaine après le commencement. Pas de doute, c’est bien pour la première fois une kilonova qui était ainsi mise en évidence !

La première kilonova observée

Kilonova ? D’après les simulations numériques des astrophysiciens, lors de la fusion de deux étoiles à neutrons, une fraction de la matière brûlante et dense des deux astres est éjectée du système, donnant lieu à une émission lumineuse d’un genre très particulier. « En 2013, une observation dans l’infrarouge laissait penser à une kilonova, mais ce n’était que très indirect, commente Guillaume Dubus. Là, on a pu observer toute la séquence dans toutes les longueurs d’onde, grâce à une mobilisation sans précédent en astronomie. »

Et pour cause, la preuve de la réalité de ce phénomène revêt une importance capitale. Comme l’explique le chercheur, « selon les calculs, au sein de cet éjecta très riche en neutrons, de très nombreuses réactions nucléaires forment des éléments lourds selon un mécanisme de nucléosynthèse à nul autre pareil. »

D’un mot, les kilonovae sont la meilleure façon d’expliquer la synthèse des éléments plus lourds que le fer dans l’Univers. Si ce n’est que jusqu’alors, elles n’avaient d’autre existence que sur le papier. « C’est assez merveilleux d’imaginer que l’or de l’alliance qu’on peut porter a été formé dans l’éjecta de la fusion de deux étoiles à neutrons ! », lâche Guillaume Dubus.

insi, en quelques jours, grâce à une série d’observations sans commune mesure par l’ampleur des moyens mis en œuvre, les spécialistes du ciel ont accroché à leur tableau de chasse rien moins qu’une première en astronomie gravitationnelle, la confirmation de l’origine d’un phénomène observé depuis plus de cinquante ans, et la résolution de l’énigme des éléments lourds ! Cerise sur le gâteau, l’observation de LIGO-Virgo, permettant de déduire très précisément la distance de la source, couplée à la mesure du décalage vers le rouge des émissions électromagnétiques associées, a offert aux cosmologistes une nouvelle manière de mesurer la vitesse d’expansion de l’univers. De quoi peut-être, à terme, résoudre les tensions sur la valeur de ce paramètre, issues de mesures obtenues par différentes méthodes. Près de trente ans après qu’il a présenté son projet d’interféromètre gravitationnel, Alain Brillet en reste émerveillé : « Ces résultats, qui signent l’acte de naissance de l’astronomie multi-signaux, sont la preuve que nous n’avons pas travaillé pour rien. Et ils offrent cent ans de travail à nos successeurs ! » Énorme.

Source : CNRS
Crédit : ESO/L. Calçada/M. Kornmesser

Vue d’artiste d’une kilonova, produite par la fusion et l’explosion de deux étoiles à neutrons, événement exceptionnel observé le 17 août 2017.