Ondes gravitationnelles : une seconde et spectaculaire collision d'étoiles à neutrons découverte

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Les collaborations Ligo et Virgo viennent de faire savoir qu'elles avaient détecté les ondes gravitationnelles émises par ce qui semble bien être une collision de deux étoiles à neutrons, formant initialement un système binaire à environ 500 millions d'années-lumière de la Voie lactée. Ces astres compacts sont le résultat de l'effondrement d'étoiles massives qui ont explosé en donnant des supernovae comme la célèbre supernova 1987A ou comme celle à l'origine de la nébuleuse du Crabe. C'est la seconde collision de ce type débusquée à ce jour grâce à l'astronomie gravitationnelle.

La première collision d'étoiles à neutrons découverte via des ondes gravitationnelles était aussi observable dans le domaine des ondes électromagnétiques sous forme d'une kilonova productrice de grandes quantités de noyaux d’or. La source avait été détectée le 17 août 2017 et porte donc dans le catalogue des évènements découverts par les deux détecteurs d'ondes gravitationnelles le nom de GW170817 (GW signifie Gravitational Wave en anglais, donc onde gravitationnelle en français).

Ce film montre une simulation numérique représentant la coalescence et la fusion des étoiles à neutrons binaires qui a entraîné l'émission d'ondes gravitationnelles détectée : GW190425. Le film montre le signal des ondes gravitationnelles avec des couleurs allant du rouge au bleu indiquant une intensité croissante pour les ondes gravitationnelles. La densité des étoiles à neutrons varie du bleu clair au foncé pour des valeurs allant de 200.000 à 600 millions de tonnes par centimètre cube. © Numerical Relativity Simulation: T. Dietrich (Nikhef), Wolfgang Tichy (Florida Atlantic Universityand the CoRe-collaboration. Scientific Visualization: T. Dietrich (Nikhef), S. Ossokine, and A. Buonanno (Max Planck Institute for Gravitational Physics)

La nouvelle source détectée porte elle le nom de GW190425 et ses ondes gravitationnelles sont donc arrivées sur Terre le 4 avril 2019. On ne connaît pas bien sa localisation sur la voûte céleste et il n'a pas été possible cette fois-ci de lui trouver une contrepartie électromagnétique. Il n'est d'ailleurs pas exclu, bien que ce soit nettement moins probable, que l'on ait en fait observé une collision de deux trous noirs dont l'un serait d'une masse particulièrement basse.

Mais s'il s'agissait bien de deux étoiles à neutrons, les astrophysiciens sont surpris. Les simulations numériques capables de reproduire le signal observé indiquent que les deux étoiles à neutrons devaient avoir des masses respectivement comprises  entre 1,61 et 2,52 fois la masse du Soleil pour l'une, et une masse entre 1,12 et 1,68 fois la masse du Soleil pour l'autre. Comme le mentionne un article qui devrait être publié, les chercheurs considèrent que le système d'étoiles à neutrons initial devait donc contenir initialement un total d'environ 3,4 masses solaires. Or, toutes les masses des rares systèmes d'étoiles à neutrons binaires connus dans la Voie lactée sont comprises entre 2,5 et 2,9 masses solaires, ce qui suggère que les astres compacts de GW190425 ne se sont pas formés de la même façon que pour les étoiles à neutrons dans notre Galaxie.

Ces estimations sont issues de comparaisons avec des simulations sur ordinateur comme le montre celle de la vidéo ci-dessus où les deux étoiles à neutrons présentées ont des propriétés cohérentes avec la détection effectuée par les détecteurs Ligo et VirgoLa masse de la matière éjectée que la simulation prédit lors de la fusion des deux étoiles à neutrons est nettement plus petite que dans le cas GW170817, ce qui rend très peu probable la détection d'un équivalent électromagnétique et pourrait expliquer qu'aucune observation n'a révélé avec succès une émission transitoire d'ondes électromagnétiques.

En ce qui concerne le produit final de la collision suite à la fusion des deux astres, l'astrophyscicien Sebastiano Bernuzzi de l'université de Jena (Allemagne) explique que : « Bien que nous n'ayons pas observé l'objet formé par la coalescence, nos simulations informatiques basées sur la relativité générale prédisent que la probabilité qu'un trou noir se soit formée rapidement après la fusion est élevée, environ 96 % ».

Une vue d'artiste d'une fusion d'étoiles à neutrons que l'on pense être à l'origine de la source d'ondes gravitationnelles appelée GWB190425. © A. Simonnet, National Science Foundation Ligo Sonoma State University
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