Pour la première fois, des chercheurs ont confirmé la détection d’une collision entre un trou noir et une étoile à neutrons. En fait, les scientifiques ont détecté non pas un, mais deux de ces événements se produisant à seulement 10 jours d’intervalle en janvier 2020.
Les événements extrêmes ont fait des éclaboussures dans l’espace qui ont envoyé des ondes gravitationnelles ondulant sur au moins 900 millions d’années-lumière pour atteindre la Terre. Dans chaque cas, l’étoile à neutrons a probablement été avalée entière par son partenaire trou noir.
Image d’une simulation de relativité numérique de la collaboration MAYA d’une fusion binaire étoile à neutrons-trou noir (NSBH), montrant la perturbation de l’étoile à neutrons. Crédit : Deborah Ferguson (UT Ausitn), Bhavesh Khamesra (Georgia Tech) et Karan Jani (Université Vanderbilt).
Les ondes gravitationnelles sont des perturbations de la courbure de l’espace-temps créées par des objets massifs en mouvement. Au cours des cinq années écoulées depuis que les vagues ont été mesurées pour la première fois, une découverte qui a conduit à la Prix Nobel de physique 2017, les chercheurs ont identifié plus de 50 signaux d’ondes gravitationnelles provenant de la fusion de paires de trous noirs et de paires d’étoiles à neutrons. Les trous noirs et les étoiles à neutrons sont les cadavres d’étoiles massives, les trous noirs étant encore plus massifs que les étoiles à neutrons.
Maintenant, dans une nouvelle étude, des scientifiques ont annoncé la détection d’ondes gravitationnelles à partir de deux événements rares, chacun impliquant la collision d’un trou noir et d’une étoile à neutrons. Les ondes gravitationnelles ont été détectées par le Laser Interferometer Gravitational-wave Observatory (LIGO) de la National Science Foundation (NSF) aux États-Unis et par le détecteur Virgo en Italie. Le détecteur KAGRA au Japon a rejoint le réseau LIGO-Virgo en 2020 mais n’était pas en ligne lors de ces détections.
«Nous soupçonnions que ces systèmes existaient, mais ils nous avaient échappé jusqu’à présent», explique Ryan Magee, chercheur postdoctoral à Caltech qui a aidé à analyser les signaux LIGO. « Les observations continues de ces binaires révéleront leurs canaux de formation et pourraient un jour nous aider à comprendre comment la matière se comporte aux densités extrêmes que ces processus sondent. »
La première fusion, détectée le 5 janvier 2020, impliquait un trou noir d’environ neuf fois la masse de notre soleil, soit 9 masses solaires, et une étoile à neutrons de masse solaire de 1,9. La deuxième fusion a été détectée le 15 janvier et impliquait un trou noir de 6 masses solaires et une étoile à neutrons de 1,5 masse solaire. Les résultats ont été publiés dans Les lettres du journal astrophysique.
Les astronomes ont passé des décennies à rechercher des étoiles à neutrons en orbite autour de trous noirs dans la Voie lactée, notre galaxie d’origine, mais n’en ont trouvé aucune jusqu’à présent. « Avec cette nouvelle découverte des fusions étoile à neutrons-trou noir en dehors de notre galaxie, nous avons trouvé le binaire manquant. Nous pouvons enfin commencer à comprendre combien de ces systèmes existent, à quelle fréquence ils fusionnent, et pourquoi nous n’avons pas encore vu d’exemples dans la Voie lactée », explique Astrid Lamberts, chercheuse CNRS de la collaboration Virgo aux laboratoires Artemis et Lagrange, à Nice. , France, et ancien chercheur postdoctoral Caltech.
Le premier des deux événements, GW200105, a été observé par les détecteurs LIGO Livingston et Virgo. Il a produit un signal fort dans le détecteur LIGO mais avait une petite détection de signal sur bruit par Virgo. L’autre détecteur LIGO, situé à Hanford, Washington, était temporairement hors ligne. Compte tenu de la nature des ondes gravitationnelles, l’équipe a déduit que le signal était causé par un trou noir entrant en collision avec un objet compact, identifié plus tard comme une étoile à neutrons. Cette fusion a eu lieu à 900 millions d’années-lumière.
« Même si nous voyons un signal fort dans un seul détecteur, nous sommes certains qu’il est réel et pas seulement le bruit du détecteur. Il réussit tous nos contrôles de qualité rigoureux et se démarque de tous les événements sonores que nous voyons lors de la troisième période d’observation », déclare Harald Pfeiffer, chef de groupe du département de relativité astrophysique et cosmologique de l’Institut Max Planck de physique gravitationnelle de Potsdam, en ancien chercheur postdoctoral à Caltech.
Parce que le signal n’était fort que dans un seul détecteur, l’emplacement de la fusion dans le ciel reste incertain, se situant quelque part dans une zone qui est 34 000 fois la taille d’une pleine lune.
« Bien que les ondes gravitationnelles ne révèlent pas à elles seules la structure de l’objet plus léger, nous pouvons en déduire sa masse maximale. En combinant ces informations avec les prédictions théoriques des masses d’étoiles à neutrons attendues dans un tel système binaire, nous concluons qu’une étoile à neutrons est l’explication la plus probable », explique Bhooshan Gadre, chercheur postdoctoral à l’Institut Max Planck.
Le deuxième événement, GW200115, a été détecté par les deux détecteurs LIGO et le détecteur Virgo. GW200115 provient de la fusion d’un trou noir avec une étoile à neutrons qui a eu lieu à environ 1 milliard d’années-lumière de la Terre. En utilisant les informations des trois instruments, les scientifiques ont mieux réussi à affiner la partie du ciel où cet événement s’est produit. Néanmoins, la zone localisée est près de 3 000 fois la taille d’une pleine lune.
Les astronomes ont été alertés des deux événements peu de temps après leur détection dans les ondes gravitationnelles et ont ensuite recherché dans le ciel des éclairs de lumière associés. Aucun n’a été trouvé, mais ce n’est pas surprenant en raison de la très grande distance entre la Terre et ces fusions, ce qui signifie que toute lumière provenant d’elles serait très faible et difficile à détecter même avec les télescopes les plus puissants. Auparavant, en 2017, les astronomes ont détecté la lumière d’une collision entre deux étoiles à neutrons, repérée pour la première fois dans les ondes gravitationnelles.
De plus, les chercheurs pensent que cette fusion d’étoiles à neutrons et de trous noirs n’a pas donné de spectacle lumineux, car leurs trous noirs sont suffisamment gros pour qu’ils engloutissent probablement les étoiles à neutrons entières.
«Ce n’étaient pas des événements où les trous noirs ont grignoté les étoiles comme le Cookie Monster et ont jeté des morceaux. C’est ce qui produirait de la lumière, et nous ne pensons pas que cela se soit produit dans ces cas », déclare Patrick Brady, professeur à l’Université du Wisconsin-Milwaukee et porte-parole de la collaboration scientifique LIGO.
Auparavant, le réseau LIGO-Virgo avait trouvé deux autres candidats à la fusion étoile à neutrons-trou noir. Un événement appelé GW190814, détecté le 14 août 2019, impliquait la collision d’un trou noir de 23 masses solaires avec un objet d’environ 2,6 masses solaires, qui pourrait être soit l’étoile à neutrons connue la plus lourde, soit le trou noir le plus léger connu. Un autre événement candidat, appelé GW190426, et détecté le 26 avril 2019, pourrait être une fusion étoile à neutrons-trou noir, mais les chercheurs ont depuis conclu qu’il était plus probablement le résultat du bruit du détecteur.
Après avoir observé avec confiance deux exemples d’ondes gravitationnelles provenant de trous noirs fusionnant avec des étoiles à neutrons, les chercheurs estiment maintenant qu’à moins d’un milliard d’années-lumière de la Terre, environ une telle fusion se produit par mois.
« Les groupes de détecteurs de LIGO, Virgo et KAGRA améliorent leurs détecteurs en vue de la prochaine campagne d’observation qui doit commencer à l’été 2022 », a déclaré Brady. « Avec la sensibilité améliorée, nous espérons détecter les ondes de fusion jusqu’à une fois par jour et mieux mesurer les propriétés des trous noirs et de la matière super dense qui composent les étoiles à neutrons. »
Écrit par Whitney Clavin
La source: Caltech
