Une vue d'artiste d'une étoiles à neutrons. Les lignes de champ magnétique sont représentées. © ESO, L. Calçada

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Ondes gravitationnelles : Ligo et Virgo ont mesuré la hauteur des montagnes des étoiles à neutrons

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[EN VIDÉO] Interview : comment mesurer les ondes gravitationnelles ?  Les ondes gravitationnelles sont des déformations de l’espace-temps prédites par Einstein. Il serait possible de les mesurer avec des outils appropriés. L’éditeur littéraire Dunod a interviewé Pierre Binétruy, professeur au laboratoire Astroparticule et Cosmologie de l'université Paris Diderot, afin d’en savoir plus sur ces mystérieuses ondes et sur la façon dont on pourrait les détecter. 

La surface des étoiles à neutrons, ces astres formidablement denses, est solide. Tournant rapidement sur elles-mêmes, les moindres écarts à la sphéricité - des sortes de montagnes - devraient causer l'émission d'ondes gravitationnelles. Ligo et Virgo sont partis à la recherche de ces ondes et ce qu'elles nous disent sur la hauteur de ces montagnes est surprenant.

Depuis le 14 septembre 2015, à 9 h 50 min 45 s UTC, nous sommes entrés dans l'ère de l'astronomie gravitationnelle avec la première détection sur Terre des ondes gravitationnelles émises par la source baptisée GW150914 (GW pour gravitational wave, en anglais et qui signifie onde gravitationnelle). Cette première « lumière gravitationnelle » a été mise en évidence grâce aux détecteurs jumeaux appelés Ligo, construits sur deux sites américains, plus précisément en Louisiane et dans l'État de Washington à trois mille kilomètres de distance.

Depuis, leur cousin européen Virgo s'est joint à eux et on attend les contributions prochaines de détecteurs japonais et indiens. Des collisions dans des systèmes binaires de trous noirs et des systèmes binaires d'étoiles à neutrons ont été observées et on espère voir celles de trous noirs avec des étoiles à neutrons. Dans ces deux derniers cas, on sonde non seulement la physique de la gravitation en champ fort, à la recherche d'une nouvelle physique au-delà de la relativité générale, mais aussi la physique des particules élémentaires et le comportement de la matière nucléaire dans des conditions extrêmes pouvant, par exemple, conduire à la formation d'un plasma de quarks et de gluons.

Extrait du documentaire Du Big Bang au vivant, associé au site du même nom, un projet multiplateforme francophone sur la cosmologie contemporaine. Jean-Pierre Luminet parle de la mort des étoiles massives, leur explosion en supernova et la formation de pulsars. © ECP Productions, YouTube

Mais Ligo et Virgo peuvent nous donner des renseignements sur bien d'autres choses, comme l'existence possible de cordes cosmiques, la physique des supercordes et plus généralement ce que l'on appelle le fond cosmologique d'ondes gravitationnelles stochastiques. En grande partie, il s'agirait des ondes émises dans les galaxies ou hors des galaxies par un grand nombre de sources trop faibles pour être individuellement détectées. Ces sources non résolues, qu'il s'agisse de systèmes binaires de trous noirs et d'étoiles à neutrons, de trous noirs supermassifs, de supernovae ou issues d'autres phénomènes encore inconnus - peut-être en rapport avec la cosmologie -, contribuent collectivement  à  la production d'un fond similaire au fond diffus infrarouge produit par toutes les sources électromagnétiques, également non résolues.

Les membres des collaborations Ligo et Virgo viennent de faire savoir qu'ils avaient obtenu un nouveau résultat concernant les étoiles à neutrons, une nouvelle borne sur leur structure et leurs propriétés. La publication à ce sujet se trouve en accès libre sur arXiv et, en fait, elle contient une nouvelle borne sur la forme des étoiles à neutrons, une question déjà abordée avec Ligo, notamment en 2013, et qui peut se résumer à la réponse à la question surprenante : « Quelle est la hauteur des "montagnes" sur un pulsar ? ».

Les étoiles à neutrons, des laboratoires pour toute la physique

Rappelons que les pulsars sont des étoiles à neutrons en rotation et émettant une sorte de faisceau collimaté d'ondes radio, faisant de ces astres compacts des phares cosmiques. Et compacts ils le sont, comme on s'en rend compte en apprenant que, point final de l'évolution de certaines étoiles qui ont explosé en supernova SN II tout en s'effondrant gravitationnellement, les étoiles à neutrons ont des masses de l'ordre de celle du Soleil tout en possédant un diamètre de quelques dizaines de kilomètres tout au plus. Elles ressemblent alors à un gigantesque noyau d'atome où la densité, le champ de gravitation et le champ magnétique y sont donc extrêmes. Presque toute la physique est nécessaire pour comprendre les propriétés d'une étoile à neutrons : la relativité générale, bien sûr, mais aussi la magnétohydrodynamique, la théorie de la superfluidité et celle de la supraconductivité.

Qu'est-ce qu'une étoile à neutrons ? Quelle différence entre ces étoiles et notre Soleil ? Roland Lehoucq, astrophysicien au CEA, nous explique que les étoiles à neutrons rayonnent très peu en lumière visible, contrairement à notre Soleil. Aussi, les étoiles à neutrons ont des tailles beaucoup plus petites que celle du Soleil : une étoile à neutrons a un diamètre compris entre 10 et 15 kilomètres, contre 1,4 million de kilomètres pour le Soleil. Ce sont également des objets compacts qui contiennent une quantité importante de matière dans un volume très petit. Étudier ces étoiles permet de tester à une échelle différente les théories de physique nucléaire. © CEA Recherche

Les pulsars millisecondes, en particulier, tournent très rapidement sur eux-mêmes comme leur nom l'indique, de sorte que leurs surfaces tournent jusqu'à ∼10 % de la vitesse de la lumière, qu'ils sont environ 40.000 milliards de fois plus denses que le plomb (cela équivaut à rassembler toute la population de la Terre en un dé à coudre) et ont également des champs magnétiques d'un milliard à quelques milliers de milliards de fois celui de la Terre.

Sur notre Planète, la hauteur des montagnes est limitée par le comportement de la matière qui les compose et la pesanteur qu'elles subissent, une combinaison du champ de gravitation de la Terre et de sa force centrifuge, qui tend à l'étaler sous son propre poids. Sur une étoile à neutrons, des incertitudes existent sur la composition exacte de sa croûte, solide, et encore plus sur l'intérieur, liquide, de l'astre. Des estimations raisonnables indiquaient quelques centimètres de hauteur seulement pour l'équivalent des montagnes sur une étoile à neutrons.

Or, il se trouve que tout écart à la sphéricité pour un astre lui permet de rayonner des ondes gravitationnelles quand il est en rotation. On peut donc poser des bornes à l'écart à cette sphéricité parfaite (qui peut également être exprimée en termes d'ellipticité de l'étoile (ε), qui est grossièrement une mesure de sa taille en tant que fraction du rayon de l'étoile) en mesurant les ondes gravitationnelles de plusieurs pulsars proches du Soleil générées par leurs rotations, par exemple le pulsar du Crabe ou le pulsar des Voiles (parfois pulsar de Vela, d'après le nom latin des Voiles).

D'après les astrophysiciens relativistes, si la hauteur des montagnes sur ces étoiles à neutrons proches était supérieure à celle de la largeur d'un cheveu humain, Ligo et Virgo auraient détecté les ondes gravitationnelles émises.

  • La surface des étoiles à neutrons, ces astres formidablement denses pouvant contenir une masse solaire dans un volume dont le diamètre est de l'ordre d'une dizaine de kilomètres, est solide.
  • Tournant rapidement sur elles-mêmes, parfois presque à 10 % de la vitesse de la lumière en surface, on peut montrer que cela implique que le moindre écart à la sphéricité, une sorte de montagne donc, devrait causer l'émission d'ondes gravitationnelles.
  • Ligo et Virgo sont partis à la recherche de ces ondes pour les étoiles à neutrons les plus proches du Soleil depuis déjà des années.
  • Les derniers résultats nous assurent que si la hauteur des montagnes sur ces étoiles à neutrons proches était supérieure à celle de la largeur d'un cheveu humain, Ligo et Virgo auraient détecté les ondes gravitationnelles émises. Voilà de quoi poser des bornes également sur la physique de la matière dans les conditions extrêmes des étoiles à neutrons.
Pour en savoir plus

Des montagnes sur les étoiles à neutrons ?

Article de Laurent Sacco publié le 09/04/2008

Certaines caractéristiques des étoiles à neutrons en feraient des générateurs d'ondes gravitationnelles dont le signal serait relativement facile à détecter avec les instruments géants Ligo et Virgo. Une de ces caractéristiques est étonnante : les étoiles à neutrons, ces astres hyper denses où n'importe quel objet posé en surface serait immédiatement aplati, pourraient  posséder des montagnes aux pôles magnétiques.

Les ondes gravitationnelles et les étoiles à neutrons sont des prédictions de la relativité générale, déjà anciennes, datant de la fin des années 1910 pour la première et de la fin des années 1930 pour la seconde. Les étoiles à neutrons ont été observées en 1967 sous forme de pulsars et c'est à partir de l'observation minutieuse de la diminution de la période orbitale d'un système binaire comportant un pulsar à partir de 1974 que l'on a pu démontrer indirectement l'existence d'ondes gravitationnelles.

La détection directe d'ondes gravitationnelles ouvrirait une nouvelle fenêtre en astrophysique. Elle permettrait de tester directement non seulement les équations de la relativité générale en champ fort mais surtout de vérifier si les calculs des astrophysiciens relativistes théoriciens concernant les propriétés des trous noirs sont bien exacts. Par définition, un trou noir est un objet astrophysique possédant un horizon des événements. Selon la relativité générale classique, tout peut y entrer mais rien ne peut en sortir, pas même la lumière ni des neutrinos. Lorsqu'un trou noir absorbe une étoile ou entre en collision avec un autre trou noir, ou même une étoile à neutrons, cet horizon se déforme et ne devient plus parfaitement sphérique.

Cela ne peut durer bien longtemps, d'après le théorème de Price, et le trou noir se met à vibrer selon des modes dits quasi normaux pour lisser ses irrégularités en émettant des ondes gravitationnelles. Le spectre émis possède une caractéristique propre au trou noir qui en est la carte d'identité la plus sûre. C'est pourquoi de gigantesques détecteurs d'ondes gravitationnelles comme Ligo et Virgo ont été construits. De même, lorsque deux étoiles à neutrons entrent en collision, un spectre d'ondes gravitationnelles bien précis doit être produit, donnant des renseignements sur la structure interne de ces étoiles et la nature de la matière nucléaire dans leur intérieur.

Dans tous ces cas, il faut que la source d'ondes gravitationnelles ne soit pas à symétrie sphérique, sans quoi aucune émission n'est possible. Matthias Vigelius et Andrew Melatos, de l'Université de Melbourne en Australie, viennent de confirmer par des simulations en 3D que des étoiles à neutrons sphériques pouvaient malgré tout acquérir suffisamment d'écart à la sphéricité parfaite pour être de bons générateurs d'ondes gravitationnelles dans une certaine bande de fréquences. Le signal émis pourrait même être plus facile à détecter que celui produit lors de la collision rare d'astres compacts comme les naines blanches, les trous noirs et bien sûr les étoiles à neutrons.

Figure 1. Axe magnétique et axe de rotation ne coïncident pas dans une étoile à neutrons. Crédit : University of Hong Kong

Les pôles attirent la matière de l'astre compagnon

L'idée est simple. La majorité des étoiles vivent en couple, formant des binaires. Il arrive que l'une des deux étoiles arrache du gaz à sa compagne. Lorsqu'il s'agit d'une étoile à neutrons, un phénomène se produit qui est lié à son intense champ magnétique. Le gaz chauffé et accrété par l'étoile cannibale étant ionisé, il se dirige vers les pôles magnétiques de l'étoile en suivant les lignes de champ, comme on peut le voir sur la figure 2. En s'accumulant à la surface de l'étoile et grâce aux propriétés stabilisantes du champ magnétique, des montagnes pouvant atteindre entre 10 centimètres et 1 mètre de hauteur pourront se former sur cet astre de quelques dizaines de kilomètres de diamètre et pesant en général aussi lourd que le Soleil. Comme les pôles magnétiques ne coïncident pas avec les pôles de rotation (voir la figure 1), la structure de l'étoile devient asymétrique du point de vue de la génération des ondes gravitationnelles et il s'en émettrait donc.

Contrairement à celui des collisions d'astres compacts, en raison de son origine liée à la rotation de l'étoile à neutrons, une partie du signal devrait être très régulier, ce qui aiderait à l'extraire du bruit de fond dans les détecteurs. Malgré tout, sa détection dans Ligo et Virgo pourrait bien nécessiter plus de puissance de calcul que l'on n'en dispose d'ordinaire, un problème auquel la technique de calcul partagé de Einstein@ home pourrait finir par remédier. Rappelons que l'on a toujours pas détecté d'ondes gravitationnelles dans Ligo ni dans Virgo.

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