On a vu la lumière des ondes gravitationnelles

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Pour la première fois, des scientifiques ont observé des ondes gravitationnelles produites par la rencontre de deux étoiles à neutrons, en même temps que la lumière émise par cet événement. Une avancée majeure.

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« Ce sont des moments comme celui-là qui me rassurent quant au fait que la science marche », déclare Andrew Howell, astronome à l’université de Californie à Santa Barbara, potentiel signataire d’un futur article qui, selon la revue Science, devrait avoir 4 600 auteurs, un tiers de l’effectif total des astronomes.

L’objet de cette publication exceptionnelle, à paraître dans The Astrophysical Journal Letters, est un signal d’ondes gravitationnelles capté le 17 août dernier. C’est la cinquième fois que l’on détecte ces ondulations de l’espace-temps prédites par Albert Einstein un siècle plus tôt (voir notre article). Mais contrairement aux quatre événements précédents, celui d’août 2017 a produit non seulement des ondes gravitationnelles mais aussi des ondes lumineuses, observées par environ 70 télescopes dans le monde. Ces observations multiples ont fait l’objet d’une annonce spectaculaire, le 16 octobre, lors de deux conférences de presse tenues, l’une à Garching, en Allemagne, et l’autre à Washington (voir dans Nature). On y a annoncé la prochaine parution d’une trentaine d’articles dans les revues Physical Review Letters, Science, Nature, Nature Astronomy et Astrophysical Journal Letters.

Image de simulation de la danse entre deux étoiles à neutrons © CALTECH Image de simulation de la danse entre deux étoiles à neutrons © CALTECH

Au-delà des ondes gravitationnelles, l’événement du 17 août apporte une brassée de découvertes dont chacune constitue en elle-même un progrès important. En particulier, il permet de résoudre l’énigme de l’origine des métaux lourds comme l’argent, l’or et le platine.

Cet événement a été capté par les trois détecteurs géants d’ondes gravitationnelles en service dans le monde. Soit deux détecteurs jumeaux, l’un situé à Hanford, dans l’État américain de Washington, et l’autre à Livingston, en Louisiane, qui constituent l’observatoire LIGO (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory) ; et un troisième, la machine européenne Virgo, installée près de Pise, en Italie. Chacun des trois engins est constitué d’un L formé de deux bras rigoureusement égaux et d’une longueur de plusieurs kilomètres (4 km pour les deux machines américaines jumelles et 6 km pour Virgo).

Alors que les quatre premières détections se rapportaient à des événements résultant à chaque fois de la collision puis de la fusion d’une paire de trous noirs géants, le nouvel événement a été produit par la rencontre de deux étoiles à neutrons. Et cela change tout. Les trous noirs ne produisent pas de lumière. Leur danse cosmique ne peut être observée que par l’intermédiaire des ondes gravitationnelles. Par contre, le tango céleste des deux étoiles à neutrons a émis des rayons lumineux dans toutes les fréquences. Il a été « filmé » en direct et dans toutes les couleurs, visibles et invisibles, du spectre, par plus de 70 observatoires dans le monde (d’où l’article de 4 600 auteurs).

« C’est vraiment un beau cadeau que nous a fait la nature, c’est un événement qui change la vie », déclare Alessandra Corsi, radio-astronome à l’université Texas Tech, à la revue Science.

Les étoiles à neutrons sont les objets les plus denses que l’on connaisse dans le cosmos. Elles peuvent avoir une masse de l’ordre de celle du Soleil, pour un rayon d’environ 10 kilomètres. Leur température de surface atteint 600 000 degrés. Lorsque deux de ces étoiles brûlantes et ultra-concentrées se rencontrent, elles tournent l’une autour de l’autre en se rapprochant, jusqu’à se mettre mutuellement en pièces sous l’effet de la gravitation. Elles finissent par se fondre l’une dans l’autre pour former un trou noir, une déchirure de l’espace-temps qui avale toute matière passant à proximité.

Ce tango cosmique produit des ondes gravitationnelles, des ondulations de l’espace-temps qui compriment l’espace dans une direction et le dilatent dans la direction perpendiculaire. Si une telle onde passe sur un détecteur en L, l’un des bras devient un tout petit peu plus long que l’autre, ce qui génère un signal d’interférence. C’est ce qui s’est produit le 17 août 2017. Un signal d’ondes gravitationnelles a été détecté, d’abord sur la machine de Hanford, avant d’être confirmé par les deux autres détecteurs.

Les quatre premiers événements avaient donné des signaux d’une durée de quelques secondes, avec des fréquences de quelques dizaines de cycles par seconde. La forme de ces signaux a permis de les attribuer à des collisions de trous noirs. Le signal d’août 2017 a duré, lui, une centaine de secondes, avec une fréquence se chiffrant en milliers de cycles par seconde. Son analyse montre qu’il est issu du choc de deux étoiles à neutrons, de masses respectives équivalentes à 1,1 et 1,6 fois celle du Soleil.

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