GW190814 : un astre compact dans la mass gap !

Détails: Mis à jour : 23 juin 2020

vignette ligo mass gap Les collaborations Virgo et LIGO ont découvert un astre compact pesant environ 2,6 fois la masse du Soleil (Intervalle de confiance de 90% : 2,5 - 2,67). S'il s'agit d'une étoile à neutrons, c'est la plus lourde connue. S'il s'agit d'un trou noir, c'est le plus léger connu. Dans les deux cas cela pose un problème. Cet astre a fusionné, il y a environ 800 millions d’années, avec un trou noir de 23 masses solaires et cet événement a produit une onde gravitationnelle puissante, détectée sur Terre le 14 août 2019, d’où son nom, GW190814. Cette découverte est annoncée après un délai habituel de 10 mois, qui ont servi aux analyses et vérifications. L’observation de ce signal par les trois instruments du réseau LIGO-Virgo, ne permet hélas pas de déterminer, à elle seule, la nature de cet astre : trou noir ou étoile à neutrons ? Elle reste donc énigmatique. Cette découverte vient d’être publiée dans la revue scientifique The Astrophysical Journal Letters.

Virgo and LIGO détectent la fusion d’un astre compact énigmatique avec un trou noir

Vue d'artiste de l'événement GW190814 où un astre compact plus léger est "avalé" par un trou noir 9 fois plus massif. Le flot de matière entre les deux astres et l'apparence du trou noir massif sont le fruit de l'imagination de l'artiste. Pour autant que nous le sachions, la fusion GW190814 n'a pas émis de lumière. Crédits pour l'image et l'animation : Alex Andrix.

23 juin 2020, http://www.virgo-gw.eu/gw190814

Jamais aucun astre compact de masse comprise entre 2,5 et 5 masses solaires n'avait été observé. Cet intervalle est connu sous le nom anglais de « mass gap » (en fait, une lacune dans la distribution de masses). Dans cet intervalle, les astres sont trop lourds pour être des étoiles à neutrons et trop légers pour être des trous noirs formés lors de l'explosion de supernovae.

Ces deux types d’astres, trou noir ou étoile à neutrons, se forment lorsque des étoiles massives explosent en supernova après avoir épuisé leur combustible nucléaire. Les étoiles qui ont un petit noyau créent une étoile à neutrons, tandis que les noyaux plus lourds s’effondrent en trous noirs. Ces trous noirs devraient avoir des masses supérieures à 5 masses solaires. Est-ce que ce mass gap existe vraiment et, dans l’affirmative, pourquoi avec ces limites, sont des questions qui intéressent les astrophysiciens depuis des années.

La découverte d’un astre compact de masse environ 2,6 masses solaires, met en cause l’existence du mass-gap.

Cette annonce est faite par les collaborations scientifiques Virgo et LIGO qui exploitent l'antenne Advanced Virgo à l’European Gravitational Observatory (EGO) près de Pise en Italie, et les deux antennes Advanced LIGO aux Etats-Unis. Le signal associé à cette fusion inhabituelle a été clairement détecté par les trois instruments du réseau LIGO-Virgo, avec un rapport signal-à-bruit global très élevé, de l’ordre de 25. « Nous sommes très satisfaits des performances du détecteur Advanced Virgo pendant le run O3 », se réjouit Maddalena Mantovani, physicienne à l’European Gravitational Observatory (EGO). Grâce au délai entre les temps d’arrivée des signaux dans les antennes (séparées de plusieurs milliers de kilomètres), le réseau a été capable de localiser la source de GW190814 sur le ciel à l'intérieur d'une zone réduite d'environ 19 degrés carrés.

« 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 », observe Giovanni Losurdo, de l’Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (INFN, Italie), le porte-parole de la Collaboration Virgo. « 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. »

Une autre particularité de cet événement est le rapport des masses des deux astres qui composent ce système : c’est le plus élevé mesuré à ce jour, avec un écart d’un facteur 9 entre l’astre le plus lourd et le plus léger.

GW190814 Merger frame watermarked

Quelques centièmes de secondes avant la collision, le rayonnement gravitationnel est traduit en couleurs autour des trous noirs. Elles représentent la partie réelle de l'intensité de l'onde, la décroissance avec la distance étant enlevée.L'instantané provient d'un calcul complet mettant en évidence les modes d'ordres élevés. Le film est visible ici : https://dcc.ligo.org/DocDB/0168/G2000730/003/gw190814_hm.mp4 (106 Mo).

« La détection de ces nouveaux types d’événements contribue à pousser nos modèles et nos outils d’analyse des données à leurs limites », précise Ed Porter, chercheur CNRS au sein de la Collaboration Virgo et co-responsable du groupe d’analyse commun à LIGO-Virgo en charge de l’étude des fusions de systèmes binaires compacts. « Même s’il reste beaucoup de choses que nous ignorons à propos de cette source, le fait que nous observions des systèmes atypiques comme GW190814 pour la première fois dans l’histoire des sciences est ce qui rend l’astronomie en ondes gravitationnelles aussi passionnante. »

Lorsque les scientifiques de LIGO et de Virgo ont détecté ce signal en temps réel, ils ont immédiatement envoyé une alerte destinée à la communauté des astronomes. De nombreux télescopes, au sol comme dans l’espace, ont cherché une émission lumineuse ou d’autres ondes électromagnétiques. Sans succès à ce jour : aucun de ces instruments n’a détecté de signal, contrairement au cas de la fameuse fusion de deux étoiles à neutrons, en août 2017, laquelle avait marqué la naissance de l’astronomie multi-messagers avec ondes gravitationnelles.

D’après les deux collaborations, plusieurs raisons peuvent expliquer cette absence de contrepartie électromagnétique. Tout d’abord, la source est 6 fois plus lointaine que GW170817, ce qui complique la recherche de signaux lumineux. De plus, si le système était composé de deux trous noirs, sa fusion n’a probablement pas émis de lumière. Si l’astre compact léger était une étoile à neutrons, son trou noir partenaire 9 fois plus massif pourrait bien l’avoir avalée toute entière. Un tel « gobage » d’une étoile à neutrons par un trou noir ne produirait pas non plus de lumière.

« Cela me fait penser à Pac-Man avalant une pac-gomme », renchérit Vicky Kalogera, membre de la Collaboration LIGO et professeure à la Northwestern University. « Quand les masses du système sont très asymétriques, le trou noir peut ne faire qu’une bouchée de la petite étoile à neutrons. »

La nature de l’astre compact détecté le 14 août 2019 reste donc inconnue.

« Il est difficile d’expliquer la formation d’un tel système. Cette combinaison particulière du rapport de masses et des masses elles-mêmes est un défi pour tous les modèles astrophysiques », complète Mario Spera, membre du groupe Virgo de l’Université de Padoue et en ce moment à la Northwestern University. « Nous suspectons que certains environnements, comme les jeunes amas denses ou les noyaux actifs de galaxie pourraient permettre la formation de tels systèmes avec des rapports de masses aussi extrêmes. Ce qui est sûr à ce jour, est que l’Univers continue à nous dire avec insistance que nous ignorons la majeure partie de son histoire, en ce qui concerne la formation et l’évolution des astres compacts. Nous allons vraisemblablement devoir modifier certaines de nos conceptions actuelles sur le sujet. »

De futures observations faites par Virgo, LIGO ou des télescopes permettront peut-être de détecter des événements similaires et nous aideront alors à répondre à certaines des questions que la découverte de GW190814 suscite.

GW190814 factsheet

Informations supplémentaires sur les observatoires d’ondes gravitationnelles

La Collaboration Virgo compte actuellement environ 550 membres, issues de 106 laboratoires dans 12 pays différents, dont l’Allemagne, la Belgique, l’Espagne, la France, la Hongrie, l’Irlande, l’Italie, les Pays-Bas, la Pologne et le Portugal. Le European Gravitational Observatory (EGO), situé à Cascina près de Pise en Italie, est le laboratoire d’accueil du détecteur Virgo : il est financé par le Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS) en France, l’Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (INFN) en Italie et Nikhef aux Pays-Bas. La liste des groupes membres de la Collaboration Virgo est disponible à l’adresse http://public.virgo-gw.eu/the-virgo-collaboration. Pour des informations supplémentaires, voir le site internet de Virgo : http://www.virgo-gw.eu.

LIGO est financé par la NSF, piloté par Caltech et le MIT qui ont conçu LIGO et gèrent le projet. Les ressources financières nécessaires au programme Advanced LIGO ont été fournies par la NSF avec une implication et des contributions importantes de l’Allemagne (Max Planck Society), du Royaume-Uni (Science and Technology Facilities Council) et de l’Australie (Australian Research Council OzGrav). Environ 1 300 scientifiques du monde entier participent à cet effort par l’intermédiaire de la LIGO Scientific Collaboration qui inclut la Collaboration GEO. La liste des autres partenaires de LIGO est disponible à l’adresse https://my.ligo.org/census.php.

Ressources multimédia

Ces ressources incluent une animation réalisée par l’artiste français Alex Andrix qui a créé une œuvre visuelle marquante, inspirée par la détection GW190814 de Virgo et LIGO : http://www.virgo-gw.eu/gw190814/animation.