LIRGO et VIRGO détectent la rencontre d’une étoile à neutrons et d’un trou noir
— Actualités du 7 mai 2019 —
En 2015, la première onde gravitationnelle a été observée, près de cent ans après qu’Albert Einstein a prédit leur existence. Les ondes gravitationnelles sont des oscillations dans la courbure de l’espace-temps. Elles se produisent quand des masses sont accélérées. Ces ondes peuvent voyager sur des millions d’années-lumière. Ce sont cependant des signaux très faibles. C’est pourquoi on ne peut les détecter que dans les cas extrêmes, quand des objets très massifs se tournent autour à grande vitesse, par exemple des trous noirs ou des étoiles à neutrons quelques instants avant leur fusion.
Depuis la première détection d’une onde gravitationnelle, on a eu la chance d’observer de nombreux signaux de fusion d’étoiles à neutrons et de fusion de trous noirs. Les interféromètres LIGO et VIRGO, les seuls outils actuellement capables de détecter des ondes gravitationnelles, viennent de démarrer de nouvelles observations il y a un mois. Cela devrait durer encore onze montis et les observations sont déjà nombreuses. Les interféromètres situés aux Etats-Unis et en Italie ont en effet pu observer cinq nouveaux événements. L’un de ces événements est particulièrement intéressant.
Le 26 avril 2019, LIGO et VIRGO ont identifié un signal inhabituel qui pourrait provenir de la rencontre fatale d’une étoile à neutrons avec un trou noir. En seulement trois ans, les équipes de la collaboration LIGO VIRGO auraient ainsi détecté tous les types d’événements détectables avec leurs outils, ce qui est une preuve de l’extrême efficacité de ces outils. Pouvoir détecter la fusion de deux trous noirs est l’une des preuves les plus fortes de leur existence. Si on prend en compte l’image de trou noir prise par l’Event Horizon Telescope, l’Histoire retiendra probablement que la fin des années 2010 a été le moment où la confirmation définitive de l’existence de ces monstres cosmiques a été confirmée.
Les fusions des étoiles à neutrons peuvent en apparence sembler moins impressionnantes, mais ce sont probablement les plus intéressantes. Lorsque deux trous noirs fusionnent, ils n’émettent que des ondes gravitationnelles. C’est donc l’unique moyen de détecter un tel événement. Lorsque deux étoiles à neutrons fusionnent, elles émettent des ondes gravitationnelles mais aussi un puissant flash lumineux dans tous les domaines du spectre électromagnétique. Les interféromètres de LIGO et VIRGO sont disposés à des milliers de kilomètres les uns des autres. Ils peuvent donc être utilisés pour localiser la source d’un signal par trilatération. On peut alors pointer des télescopes traditionnels vers la source de ce signal pour voir si le signal gravitationnel est accompagné d’un signal lumineux.
C’est ce qui s’est passé en 2017 lors de la détection d’une fusion d’étoiles à neutrons. Près de 70 observatoires au sol et dans l’espace ont pu enregistrer l’événement en ondes radio, optiques ou gamma. Le fait de pouvoir observer un même événement en ondes électromagnétiques et en ondes gravitationnelles est l’avènement de ce qu’on appelle l’astronomie multimessager. C’est comme si on avait observé le ciel en silence pendant des siècles et que soudain les acteurs du spectacle cosmique se mettent à parler.
Une nouvelle fusion d’étoiles à neutrons a été détectée le 25 avril 2019. Cette fois-ci, seuls deux des trois interféromètres de LIGO ou VIRGO étaient opérationnels, ce qui n’a pas permis de localiser le signal très précisément. On sait quand même que l’événement a eu lieu à environ 5000 années-lumière de chez nous. Ces détections répétées montrent que les événements tels que les fusions de trous noirs ou d’étoile à neutrons sont fréquents dans l’univers. La période d’observations actuelle s’achèvera dans un an, ce qui devrait permettre de recenser une centaine d’événements, et peut-être de nouvelles découvertes.
Les étoiles à neutrons génèrent de la matière 10 milliards de fois plus dure que le métal
— Actualités du 25 septembre 2018 —
Les étoiles à neutrons sont les restes de gigantesques explosions qui marquent la fin de vie des étoiles massives. Ces explosions, les supernovas, sont déclenchées par l’effondrement gravitationnel du coeur de ces étoiles. Cela génère des petits corps incroyablement denses, les étoiles à neutrons. Les étoiles à neutrons son des astres surprenants pour plusieurs raisons. Si elles étaient encore un peu plus denses, elles s’effondreraient pour former des trous noirs.
Un centimètre cube prélevé à la surface d’une étoile à neutrons aurait une masse de plusieurs centaines de millions de tonnes. Cette densité extraordinaire amène la matière vers des états qu on ne comprend pas très bien. Plus on plonge vers le coeur d’une étoile à neutrons, plus la matière se densifie et plus il devient difficile de la modéliser. Il est pourtant important de comprendre ces états de matière qui pourraient par exemple nous informer sur la signature gravitationnelle d’une étoile à neutrons, une donnée très intéressante pour la science récente de l’observation des ondes gravitationnelles.
Un trio de chercheurs a essayé de simuler ce qu’il se passe juste en-dessous de la croûte d’une étoile à neutrons, et leurs résultats sont très surprenants. Ils ont essayé de calculer comment se comporteraient 983 mille protons et 2,3 millions de neutrons dans un milieu de très grande densité. Cela paraît simple mais il faudrait environ 2 millions d’heures de calcul à un ordinateur classique pour réaliser cette simulation. En effet, chaque particule intéragit en permanence avec toutes celles qui l’entourent. De précédentes simulations avaient déjà abouti à l’hypothèse que dans ces conditions, la matière forme des structures étranges, un modèle qui porte aujourd’hui le nom de Nuclear Pasta, les pâtes nucléaires.
La matière dégénérée d’une étoile à neutrons s’organiserait ainsi spontanément en boules, en tubes ou encore en feuilles, en fonction de la profondeur à laquelle on se situe. Des chercheurs ont tout naturellement décidé de nommer ces états gnocchi, spaghetti ou encore lasagnes. Ce sont les pâtes nucléaire. La nouvelle étude va encore plus loin dans leurs simulations. Le trio américano-canadien a cherché à déterminer le point de rupture de ces pâtes nucléaires. Ils voulaient savoir si la matière en profondeur est plus dense et rigide que la matière en surface. Et la réponse est oui. Ces pâtes nucléaires sont très probablement le matériau le plus dur de l’univers. Leurs calculs placent la dureté de cette matière à environ 10 milliards de fois celle du métal.
Ce résultat signifie aussi que les étoiles à neutrons pourraient émettre des ondes gravitationnelles en continu. La formation des pâtes nucléaires serait irrégulière sous la croûte de ces étoiles, et les étoiles à neutrons sont connues pour leur rotation rapide. Mais une énorme masse irrégulière en rotation rapide signifie aussi la présence d’ondes gravitationnelles. Le modèle des pâtes nucléaire serait pourtant bien difficile à vérifier. Il est impensable d’espérer les recréer en laboratoire car la pression nécessaire dépasse très largement les capacités du génie humain. En réalité, ces structures ne peuvent pas exister en dehors d’une étoile à neutrons. Peut-être qu’un observatoire en ondes gravitationnelles assez précis pourra démontrer que les étoiles à neutrons émettent bien des ondes gravitationnelles, mais nos détecteurs ont encore des progrès à faire avant de permettre ce genre d’observation.
Image by NASA/CXC/ASU/J. Hester et al.
Sources
