Les ondes gravitationnelles révèlent pour la première fois, la fusion d’un trou noir et d'une étoile à neutrons

Détails: Mis à jour : 12 juillet 2021

cp astrid vignette Nous annoncons que notre collaboration LIGO, Virgo et KAGRA a détecté la fusion de deux paires d'astres compacts constituées d'un trou noir et d'une étoile à neutrons. C'est la première fois que de telles paires sont observées. Elles ont été observées grâce aux détecteurs d'ondes gravitationnelles Virgo et LIGO. En effet, l’analyse des données, coordonnée par Astrid Lamberts, chercheuse CNRS aux Laboratoires Artemis et Lagrange de l’Observatoire de la Côte d’Azur (CNRS-UCA-OCA), a montré, pour la première fois, l'existence de tels couples d’objets compacts en interaction. « Jusqu’à maintenant, des télescopes et des détecteurs d’ondes gravitationnelles avaient observé des paires de trous noirs et des paires d’étoiles à neutrons. Il manquait le système binaire mixte trou noir + étoile à neutrons, dont les astronomes nous demandaient toujours si nous l’avions découvert », explique Astrid Lamberts. L'intérêt de ces systèmes mixtes est qu'ils apportent de nouvelles impulsions à l’étude des mécanismes à l’origine de la formation de ces objets rares, et sur les caractéristiques de la matière constituant les étoiles à neutrons, si différente de celles de matière qui nous est famillière.

En effet, depuis la détection directe des premières ondes gravitationnelles en 2015, produites par une paire de trous noirs spiralant l'un autour de l'autre, uniquement des interactions de paires d’objets du même type : trou noir – trou noir ou étoile à neutrons – étoile à neutrons, avaient été observées. Ces événements, souvent complètement invisibles aux ondes électromagnétiques, ont ouvert une nouvelle fenêtre pour l’étude de ce type d’objets dits « compacts » du fait de leur densité extrêmement élevée. Mais dans le panorama des objets observés, il manquait le couple « mixte », la paire étoile à neutrons – trou noir, qui avait été prédite mais jamais observée.

Et ce n’est pas la détection d’une paire de ce type, mais de deux, qui est annoncée aujourd'hui. La première, GW200105 (= Gravitational Wave du 05/01/20) observée le 5 janvier 2020 a été détectée simultanément par l’interféromètre Virgo (Pise – Italie) et par un des interferomètres de LIGO, à Livingston (Louisiane - Etats Unis). Plusieurs instituts européens sont impliqués dans Virgo, dont l’Observatoire de la Côte d’Azur. Puis tout juste 10 jours plus tard, le 15 janvier 2020, un deuxième signal, GW200115, était observé par trois détecteurs : Virgo et les deux LIGO, à Hanford et Livingston, confirmant l’existence incontestable de ce type de binaires.

Les détecteurs d’ondes gravitationnelles révèlent les objets compacts lors des derniers moments de leur vie séparée. C'est dans ces derniers tours l'un autour de l'autre, tours qui achèvent de les rapprocher, jusqu'au moment de leur fusion, que les ondes gravitationnelles émises sont les plus intenses, dans un laps de temps qui peut durer moins d'une seconde et parfois quelques dizaines de secondes. Un seul trou noir résultera de cette fusion, astre noir indétectable depuis la Terre. Mais les quelques secondes de signal reçu sous forme d'ondes gravitationnelles permettent en principe de connaitre les masses des objets et leur distance, ainsi que les directions des axes de rotation et leur vitesse de rotation sur eux mêmes, et dans le cas des étoiles à neutrons, l'amplitude de leur déformation sous l'effet du compagnon.

Dans le cas de GW200105, la masse de l’étoile à neutrons était de 1,9 fois la masse du Soleil (pour un rayon d’environ 10 km) et la masse du trou noir de 8,9 fois la masse de notre étoile. Pour GW200115 les masses respectives étaient de 1,5 et 5,7 masses solaires pour l’étoile à neutrons et le trou noir. Ces masses sont en accord avec les prédictions théoriques des modèles d’évolution stellaire, ce qui au passage, confirme la validité de ces modèles. Les distances de ces deux systèmes sont énormes, de l'ordre de 900 millions d’années - lumières pour l’un et 1 milliard d’années - lumières pour l’autre.

Ces découvertes contribuent à approfondir la compréhension des phénomènes les plus extrêmes de l’Univers : explosions ou fusions d'astres ... Elles aident les scientifiques à mieux comprendre les mécanismes qui les ont générés. « Cette découverte montre à nouveau à quel point les détecteurs d’ondes gravitationnelles élargissent notre horizon et nous permettent d’observer ce que nous ne pouvions littéralement pas voir jusqu’à maintenant. » conclut Astrid Lamberts.

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Vue d'artiste basée sur les résultats d'une simulation numérique de la déformation de l'espace-temps produite
par la coalescence d'une binaire formée par un trou noir et une étoile à neutrons.
Visualization : T. Dietrich, N. Fischer, S. Ossokine, H. Pfeiffer. Simulation : V. Chaurasia, T. Dietrich.

Le laboratoire Artemis est à l'origine de Virgo. Il regroupe une quarantaine de scientifiques, étudiant(e)s, et post-docs, autour de la détection des ondes gravitationnelles, des lasers de puissance, et de l'observation des "Sursauts gamma". Artemis a des responsabilités dans Virgo, dans Einstein Telescope et dans l'antenne spatiale LISA, dédiée à la détection des ondes gravitationnelles de plus basse fréquence que Virgo. Artemis accueille de nombreux étudiants et stagiaires d'Ecoles d'ingénieurs et des Universités françaises et du monde entier.

La collaboration Virgo est actuellement composée d'environ 690 scientifiques de 15 pays. L'Observatoire gravitationnel européen (EGO) héberge le détecteur Advanced Virgo près de Pise en Italie, et 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. Une liste des équipes impliquées dans la collaboration Virgo est disponible sur http://public.virgo-gw.eu/the-virgo-collaboration.