Ondes gravitationnelles: fusion d'étoiles à neutrons et moisson de découvertes

17 août 2017 : les interféromètres VIRGO (Italie) et LIGO (É.-U.) observent pour la première fois deux étoiles à neutrons fusionner entre elles. Les trois instruments ont pu localiser le phénomène avec suffisamment de précision pour que les télescopes traditionnels puissent eux aussi l'observer, confirmant la validité de cette nouvelle fenêtre sur l'Univers. Au passage, une mesure de la vitesse d'expansion de l'Univers a été réalisée. Publications dans Nature, Science, Physical Review Letters, Astrophysical Journal Letters et explications par François Bondu, le physicien rennais qui a contribué à la fabrication de VIRGO.

Simulation 3D de la coalescence imminente de deux étoiles à neutrons (événement détecté le 17 août 2017) - Crédit : NASA
  1. Deux importantes "premières"
  2. Validité confirmée grâce au « GPS » gravitationnel
  3. Ondes gravitationnelles, comment les détecter
  4. VIRGO, un instrument d’une sensibilité extrême
  5. Étoiles à neutrons : aux origines de l’or, de l’argent et du platine
  6. Et après ?
  7. Les collaborations Virgo et LIGO
  8. Références

Deux importantes "premières"

La détection d'ondes gravitationnelles a valu ces dernières semaines l'attribution d'une double médaille d'or du CNRS et celle du prix Nobel de physique 2017.

Ces annonces ont eu lieu avant même que ne soit publiée la toute dernière détection, qui fera date. Celle-ci a eu lieu le jeudi 17 août 2017 et a été réalisée à quelques millisecondes d'écart par trois interféromètres dans le monde : l'instrument VIRGO européen, situé près de Pise en Italie, et le LIGO américain (deux instruments situés l'un à Hanford dans l'état de Washington et l'autre à Livingston en Louisiane). Non seulement VIRGO et LIGO ont pu observer pour la première fois deux étoiles à neutrons coalescer (fusionner entre elles), mais ils ont permis de localiser l'événement dans le ciel austral, en direction de la constellation de l'Hydre et de la galaxie NGC 4993, à 44 mégaparsecs de distance (soit environ 143 millions d’années-lumières). Ce dernier phénomène a donc eu lieu dix fois fois plus près de la Terre que la coalescence des deux trous noirs observée le 14 août. Près de 70 télescopes dans le monde et dans l'espace (dont Hubble) ont réussi à prendre une image de l'événement et de son évolution dans les jours qui ont suivi, que ce soit en lumière visible, dans le domaine radio, ou encore en rayons X ou gamma.

Voici les explications de François Bondu, directeur de recherche au CNRS et membre du laboratoire FOTON (CNRS/Université de Rennes 1/INSA), qui a travaillé près de 20 ans sur VIRGO : dès 1993, il commençait une thèse sur le sujet partiellement encadrée par Alain Brillet, l'un des deux chercheurs français qui a le plus fondamentalement contribué à la mise au point des détecteurs d'ondes gravitationnelles et qui vient, avec Thibaut Damour, de recevoir la médaille d'or du CNRS.

Mais ce n'est pas tout : l’observation par ondes gravitationnelles permet la mesure directe des distances, un problème extrêmement difficile à résoudre en astronomie pour les objets lointains. Grâce aux détections du 17 août, on a pu mesurer la constante de Hubble, qui chiffre la vitesse de cette expansion, soit 70 kilomètres par seconde et par mégaparsec : une mesure cohérente avec ce qu'on avait calculé par d'autres moyens jusque là. Enfin, la brève émission ("sursaut") de rayons gamma observée par les télescopes spatiaux dédiés FERMI et INTEGRAL moins de deux secondes après la détection d'ondes gravitationnelles vient prouver le lien entre les deux phénomènes.

Deux étoiles à neutron sur le point d'entrer en coalescence

Validité confirmée grâce au « GPS » gravitationnel

Pour que nos GPS puissent nous positionner sur Terre, il faut que notre appareil reçoive le signal d'au moins trois satellites : en utilisant les positions de chacun d'eux, notre récepteur effectue une triangulation qui lui permet de nous indiquer notre position à quelques mètres près.

De manière analogue, c'est la triangulation effectuée à partir des données renvoyées par les trois interféromètres de VIRGO et LIGO qui a pu permettre de "pointer" la coalescence des deux étoiles à neutrons sur la voûte céleste, quelque part dans une zone grande comme environ 120 pleines Lunes. Cela a rendu possible l'observation du phénomène par près de 70 télescopes sur Terre et dans l'espace. VIRGO a détecté un signal nettement moins fort que les instruments américains, car l'antenne formée par l'interféromètre européen ne se trouvait pas idéalement orientée vers la source. En tenant compte des caractéristiques de cette antenne, et notamment de ses directions de moindre sensibilité, VIRGO a apporté l'information décisive qui manquait à la localisation de la source dans la galaxie NGC 4993.

Localisation

Avant cette première, il pouvait subsister dans la communauté scientifique des réticences sur la validité de la détection d'événements par ondes gravitationnelles, technique toute nouvelle et faisant appel à la difficile théorie de la relativité générale. Ce doute semble désormais pouvoir être levé, puisque les instruments traditionnels sont parvenus à confirmer qu'il s'était bien produit un événement de très haute énergie au moment et dans la direction pointés par LIGO et VIRGO.

"Les ondes gravitationnelles avaient déjà été mises en évidence lors de la découverte du pulsar binaire 1913+16, découvert  en 1974 par deux américains, Russel Hulse et Joseph Taylor qui furent récompensés par le prix Nobel de physique en 1993", explique François Bondu. Des réticences restaient toutefois perceptibles : la difficile théorie de la relativité générale d’Albert Einstein explique la gravitation par une géométrie qui n’est pas euclidienne, donc pas celle qu’on apprend au collège et au lycée, explique François Bondu. C’est cette théorie qui prévoit notamment l’existence des fameux « trous noirs », objets paradoxaux et monstrueux, extrêmement lourds mais sans matière ! En 2016 les instruments de détection LIGO, aux États-Unis, ont révélé le signal de la phase spiralante avant coalescence de deux trous noirs pesant plusieurs dizaines de fois la masse du soleil. Mais quelques suspicions subsistaient. La découverte en août 2017 des ondes gravitationnelle des dernières spirales avant coalescence de deux étoiles à neutrons, confirmée par des observations optiques fait entrer l’astronomie par ondes gravitationnelles dans l’âge adulte L’astronomie classique et l’astronomie par ondes gravitationnelles sont maintenant connectées", conclut le physicien.

Ondes gravitationnelles

Ondes gravitationnelles, comment les détecter

Lorsque deux objets très massifs tels que des trous noirs ou des étoiles à neutron "fusionnent" (les astronomes préfèrent le terme de coalescence), cela se fait à très grande vitesse. Les deux objets se tournent autour, dans une spirale de plus en plus rapprochée, avant de coalescer en libérant une quantité monumentale d'énergie et de matière. Les étoiles à neutrons détectées le 17 août étaient des objets ultra denses et massifs, concentrant chacune l'équivalent d'une fois et demi la masse de notre Soleil dans une sphère d'un diamètre de seulement 20 km (comparable à la taille d'une ville comme Londres). Et pourtant, VIRGO et LIGO ont montré que juste avant leur coalescence, ces deux astres impressionnants se tournaient autour 200 fois par seconde, à une distance inférieure à 100 km l'un de l'autre !

Du fait de leurs masses gigantesques, accélérées à des vitesses extrêmes, ces objets génèrent une déformation de l'espace-temps analogue à des vagues sur l'eau. Lorsqu'elles nous parviennent sur Terre, ces ondes continuent à déformer l'espace-temps, mais de manière absolument infime.

Simulation 3D

VIRGO, un instrument d’une sensibilité extrême

Dans l'interféromètre VIRGO, ces ondes génèrent ainsi une dilatation de l'espace de l'ordre du milliardième du milliardième de mètre entre deux miroirs fixés à trois kilomètres de distance l'un de l'autre. Pour mesurer ce phénomène imperceptible, la meilleure solution consiste à piéger un laser entre les deux miroirs, et à mesurer les variations (également infimes) du temps que met le rayon lumineux à franchir la distance.

À cette échelle de précision, le moindre bruit vient perturber l'expérience. Il faut s'en affranchir de façon certaine. Par exemple, la fréquence (et donc la couleur) du laser n'est pas suffisamment stable. Il faut réduire ce bruit de fréquence de près de 10 milliards de fois en intensité pour pouvoir détecter les ondes gravitationnelles qui traversent l'instrument ! L'astuce, qui a demandé deux décennies de recherche, a consisté à corriger le bruit du laser en utilisant les caractéristiques de l'interféromètre lui-même. Pour cela, l’instrument est configuré en interféromètre, c’est à dire qu’il comprend deux bras orthogonaux, chacun équipé de deux miroirs espacés de 3 km. La somme des variations des deux bras sert à stabiliser l’interféromètre, la différence mesure l’onde gravitationnelle.

Mais d'autres défis se profilent. Pour augmenter les capacités de détection de VIRGO, l'un des problèmes les plus épineux tient au "bruit de grenaille" du laser. En effet, le rayon laser est à la fois onde et corpuscule. Quand on le mesure, l'aspect corpusculaire vient bruiter la mesure, les photons se comportant comme des billes venant impacter le détecteur à des temps aléatoires. Pour réduire ce bruit, il faut augmenter la puissance lumineuse, et donc le nombre de corpuscules par seconde. Mais augmenter la puissance dégrade la stabilité et tend à faire résonner les miroirs… L’amélioration de la précision de VIRGO ne peut passer que par la mise en œuvre de lasers à la fois extrêmement puissants et stables, ce qui demandera beaucoup de travail pour concilier les deux exigences.

L'interféromètre Virgo, près de Pise en Italie

Étoiles à neutrons : aux origines de l’or, de l’argent et du platine

Selon la théorie actuelle, juste après les débuts de l'Univers, seuls les éléments les plus légers (l'hydrogène et l'hélium) avaient pu se former. L'hydrogène s'est condensé en nuages, sous l'effet de la gravitation. Dès que la masse condensée est devenue suffisamment importante, elle a donné naissance à des étoiles.

Au cœur de ces astres, des réactions thermonucléaires s'opposent à la gravitation tout en transforment l'hydrogène et l'hélium en éléments chimiques plus lourds : le carbone, le fer, l'oxygène...
Lorsque l'hydrogène puis l'hélium s'épuisent, la gravitation l'emporte : les étoiles s'effondrent sur elles-mêmes puis explosent, dispersant dans l'espace les éléments lourds fabriqués.
Ces éléments viennent enrichir d'autres nuages protostellaires, dits "pouponnières d'étoiles". Lorsque les générations suivantes de soleils s'allument, les poussières d'éléments lourds tournoyant autour s'agglomèrent pour former des planètes. C'est pourquoi nous sommes des « poussières d'étoiles », comme l'a joliment formulé l'astronome Hubert Reeves.

Suivant la composition et la taille de l'étoile à son origine, celle-ci peut avoir plusieurs destins :

  • une géante rouge puis une naine blanche pour les petites (comme notre Soleil)
  • une " étoile à neutrons"  (entre 1,4 et 3,2 masses solaires) comme celles qui viennent d'être observées le 17 août : sous la pression gravitationnelle, toute la matière s'assemble pour former une matière aussi dense qu'à l'intérieur des noyaux des atomes. Un cube d'un millimètre d'arête prélevé dans une étoile à neutron pèserait 400 millions de tonnes !
  • un "trou noir", tellement massif qu'il provoque une "déchirure" de l'espace-temps où la matière disparaît : seule subsiste alors la courbure de l'espace-temps.

Une étoile de type solaire fabrique, à partir de l'hydrogène créé par le big-bang, des éléments chimiques plus lourds, jusqu'au fer, mais les lois de la physique nucléaire ne permettent pas à une étoile de ce type de fabriquer d'éléments très lourds. L'un des processus qui synthétiserait ces éléments serait leur éjection lors de la collision d'étoiles à neutrons, en particulier pour l'or, l'argent, le platine... et aussi les « terres rares ». C'est ce processus qui a donc été observé le 17 août dernier, en lien avec la production d'ondes gravitationnelles. En optique, la coalescence a produit une "kilonova", source d'une intense émission de lumière bleutée, se refroidissant rapidement vers le rouge dans les jours suivants et qu'il fallait donc détecter rapidement.

Simulation sur supercalculateur

Et après ?

"Les scientifiques sont très heureux de cette détection réussie… mais toujours curieux ! Comment la nature crée-t-elle tous les trous noirs pesant plusieurs dizaines de masses solaires ? Qu’est-ce que deviennent deux étoiles à neutrons après coalescence : une étoile à neutrons ? un trou noir ? Quelles sont les propriétés de cette matière très dense des étoiles à neutrons ? L’Univers nous cache-t-il des objets encore plus exotiques, comme des cordes cosmiques ? Combien y a-t-il de trous noirs ? Qu’est-ce que cela nous dit sur le destin de l’univers ? Il faudra de nouvelles détections : les chercheurs inventent des moyens de réduire le bruit des instruments, voire de nouveaux instruments encore plus puissants pour répondre à ces questions", se réjouit François Bondu.

Un mystérieux retard d'1.7 seconde

Entre le moment précis où les ondes gravitationnelles de la coalescence sont parvenues à LIGO/VIRGO et la détection du sursaut gamma issu de ce même événement, les scientifiques ont mesuré un délai de 1.7 secondes. Sachant que les deux signaux se sont tous deux propagés à la vitesse de la lumière, comment peut-on expliquer ce délai ? S'agit-il d'un effet dû à la relativité ?... Le mystère reste entier pour l'instant.

Les collaborations Virgo et LIGO

La collaboration Virgo comprend plus de 280 physiciens et ingénieurs appartenant à 20 groupes de recherche européens différents : six du Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS) en France ; huit de l’Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (INFN) en Italie ; deux aux Pays-Bas dont le Nikhef ; le MTA Wigner RCP en Hongrie ; le groupe POLGRAW en Pologne ; l’Espagne avec l’Université de Valence ; enfin, le « European Gravitational Observatory », EGO, le laboratoire en charge du site du détecteur Virgo près de Pise ; EGO est financé par le CNRS, l’INFN et le Nikhef.

LIGO est financé par la NSF et piloté par les laboratoires Caltech et MIT, qui ont conçu LIGO et réalisé les projets LIGO « Initial » et « Advanced ». Le financement du projet Advanced LIGO est assuré par la NSF, avec des contributions importantes de l’Allemagne (Max Planck Society), du Royaume- Uni (Science and Technology Facilities Council) et de l’Australie (Australian Research Council). Plus de 1 200 scientifiques issus d’une centaine de laboratoires du monde entier participent à cet effort au sein de la collaboration LIGO, qui inclut la collaboration GEO et la collaboration australienne OzGrav.

Références

  • GW170817: Observation of gravitational waves from a binary neutron star inspiral, The LIGO Scientific Collaboration The Virgo Collaboration. Physical Review Letters, 16 octobre 2017. DOI:10.1103/PhysRevLett.119.161101
  • Multi-messenger Observations of a Binary Neutron Star Merger, The LIGO Scientific Collaboration The Virgo Collaboration avec une cinquantaine d'autres collaborations. The Astrophysical Journal Letters, in press (2017). DOI:10.3847/2041-8213/aa91c9
  • Gravitational Waves and Gamma Rays from a Binary Neutron Star Merger: GW170817 and GRB 170817A, The LIGO Scientific Collaboration The Virgo Collaboration avec les collaborations Fermi et INTEGRAL. The Astrophysical Journal Letters, in press (2017). DOI:10.3847/2041-8213/aa920c
  • A standard siren measurement of the Hubble constant with GW170817, The LIGO Scientific Collaboration The Virgo Collaboration, The 1M2H Collaboration, The Dark Energy Camera GW-EM Collaboration the DES Collaboration, The DLT40 Collaboration, The Las Cumbres Observatory Collaboration, The VINROUGE Collaboration The MASTER Collaboration. Nature, 16 octobre 2017. DOI: 10.1038/nature24471
  • Spectroscopic identification of r-process nucleosynthesis in a double neutron star merger, E. Pian, P. D’Avanzo, S. Benetti, M. Branchesi, E. Brocato, S. Campana, E. Cappellaro, S. Covino, V. D’Elia, J. P. U. Fynbo, F. Getman, G. Ghirlanda, G. Ghisellini, A. Grado, G. Greco, J. Hjorth, C. Kouveliotou, A. Levan, L. Limatola, D. Malesani, P. A. Mazzali, A. Melandri, P. Møller, L. Nicastro, E. Palazzi, S. Piranomonte, A. Rossi, O. S. Salafia, J. Selsing, G. Stratta, M. Tanaka, N. R. Tanvir, L. Tomasella, D. Watson, S. Yang, L. Amati, L. A. Antonelli, S. Ascenzi, M. G. Bernardini, M. Boër, F. Bufano, A. Bulgarelli, M. Capaccioli, P. G. Casella, A. J. Castro-Tirado, E. Chassande-Mottin, R. Ciolfi, C. M. Copperwheat, M. Dadina, G. De Cesare, A. Di Paola, Y. Z. Fan, B. Gendre, G. Giuffrida, A. Giunta, L. K. Hunt, G. Israel, Z.-P. Jin, M. Kasliwal, S. Klose, M. Lisi, F. Longo, E. Maiorano, M. Mapelli, N. Masetti, L. Nava, B. Patricelli, D. Perley, A. Pescalli, T. Piran, A. Possenti, L. Pulone, M. Razzano, R. Salvaterra, P. Schipani, M. Spera, A. Stamerra, L. Stella, G. Tagliaferri, V. Testa, E. Troja, M. Turatto, S. D. Vergani, D. Vergani. Nature, 16 octobre 2017. DOI: 10.1038/nature24298

À ce jour (m.à.j. 26 octobre 2017), la détection du 17 août (baptisée GW170817) a donné lieu à la publication de :

  • 1 article dans Physical Review Letters
  • 8 articles dans Nature
  • 23 articles dans Astrophysical Journal Letters
  • 7 articles dans Science