LIGO et Virgo effectuent la première détection d’ondes gravitationnelles produites par la collision d’étoiles à neutrons
Les missions de la NASA captent la première lumière d’un événement d’ondes gravitationnelles
Les étoiles à neutrons condamnées créent un souffle de lumière et des ondes gravitationnelles
GW170817 : Observation des ondes gravitationnelles d’une étoile binaire à neutrons Inspiral
Collision de deux étoiles à neutrons observée pour la 1ère fois par le LIGO [Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory] basé aux États-UnisCommuniqué de presse GW170817 :
LIGO et Virgo effectuent la première détection d’ondes gravitationnelles produites par la collision d’étoiles à neutrons
La découverte marque le premier événement cosmique observé à la fois dans les ondes gravitationnelles et la lumière.
Pour la première fois, des scientifiques ont détecté directement des ondes gravitationnelles – des ondulations dans l’espace-temps – en plus de la lumière provenant de la collision spectaculaire de deux étoiles à neutrons. C’est la première fois qu’un événement cosmique est observé à la fois dans les ondes gravitationnelles et la lumière.
La découverte a été faite à l’aide du Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO) basé aux États-Unis ; le détecteur Virgo basé en Europe ; et quelque 70 observatoires terrestres et spatiaux.
Les étoiles à neutrons sont les étoiles les plus petites et les plus denses connues et se forment lorsque des étoiles massives explosent en supernovas. Lorsque ces étoiles à neutrons tournaient en spirale ensemble, elles ont émis des ondes gravitationnelles qui ont été détectables pendant environ 100 secondes ; lorsqu’ils sont entrés en collision, un éclair de lumière sous forme de rayons gamma a été émis et vu sur Terre environ deux secondes après les ondes gravitationnelles. Dans les jours et les semaines qui ont suivi le fracas, d’autres formes de lumière ou de rayonnement électromagnétique – notamment des rayons X, des ondes ultraviolettes, optiques, infrarouges et radio – ont été détectées.
GW170817 : un événement mondial d’astronomie
Les observations ont donné aux astronomes une occasion sans précédent de sonder une collision de deux étoiles à neutrons. Par exemple, les observations faites par l’observatoire américain Gemini, le très grand télescope européen et le télescope spatial Hubble révèlent des signatures de matériaux récemment synthétisés, y compris de l’or et du platine, résolvant un mystère vieux de plusieurs décennies où environ la moitié de tous les éléments sont plus lourds que le fer. sont produits.
Les résultats de LIGO-Virgo sont publiés aujourd’hui dans la revue Physical Review Letters ; des articles supplémentaires des collaborations LIGO et Virgo et de la communauté astronomique ont été soumis ou acceptés pour publication dans diverses revues.
« C’est extrêmement excitant de vivre un événement rare qui transforme notre compréhension du fonctionnement de l’univers », déclare France A. Córdova, directrice de la National Science Foundation (NSF), qui finance LIGO. « Cette découverte réalise un objectif de longue date que beaucoup d’entre nous avaient, à savoir observer simultanément des événements cosmiques rares en utilisant à la fois des observatoires traditionnels et des ondes gravitationnelles. Ce n’est que grâce à l’investissement de quatre décennies de la NSF dans les observatoires d’ondes gravitationnelles, couplé à des télescopes qui observent des longueurs d’onde radio aux rayons gamma, que nous sommes en mesure d’élargir nos possibilités de détecter de nouveaux phénomènes cosmiques et de reconstituer un nouveau récit de la physique des étoiles dans leur agonie.
Un signe stellaire
Le signal gravitationnel, nommé GW170817, a été détecté pour la première fois le 17 août à 8 h 41, heure avancée de l’Est ; la détection a été faite par les deux détecteurs LIGO identiques, situés à Hanford, Washington, et Livingston, Louisiane. Les informations fournies par le troisième détecteur, Virgo, situé près de Pise, en Italie, ont permis d’améliorer la localisation de l’événement cosmique. À l’époque, LIGO approchait de la fin de sa deuxième période d’observation depuis sa mise à niveau dans un programme appelé Advanced LIGO, tandis que Virgo avait commencé sa première période après avoir récemment terminé une mise à niveau connue sous le nom d’Advanced Virgo.
Chaque observatoire se compose de deux longs tunnels disposés en forme de L, à l’articulation desquels un faisceau laser est divisé en deux. La lumière est envoyée le long de chaque tunnel, puis réfléchie dans la direction d’où elle vient par un miroir suspendu. En l’absence d’ondes gravitationnelles, la lumière laser dans chaque tunnel devrait retourner à l’endroit où les faisceaux ont été divisés exactement au même moment. Si une onde gravitationnelle traverse l’observatoire, elle modifiera l’heure d’arrivée de chaque faisceau laser, créant un changement presque imperceptible dans le signal de sortie de l’observatoire.
Les données LIGO ont indiqué que deux objets astrophysiques situés à une distance relativement proche d’environ 130 millions d’années-lumière de la Terre avaient tourné en spirale l’un vers l’autre. Il est apparu que les objets n’étaient pas aussi massifs que des trous noirs binaires – des objets que LIGO et Virgo ont déjà détectés. Au lieu de cela, les objets en spirale ont été estimés être dans une gamme d’environ 1,1 à 1,6 fois la masse du soleil, dans la gamme de masse des étoiles à neutrons. Une étoile à neutrons mesure environ 20 kilomètres de diamètre et est si dense qu’une cuillère à café de matière d’étoile à neutrons a une masse d’environ un milliard de tonnes.
Alors que les trous noirs binaires produisent des « gazouillis » d’une durée d’une fraction de seconde dans la bande sensible du détecteur LIGO, le gazouillis du 17 août a duré environ 100 secondes et a été vu sur toute la gamme de fréquences de LIGO – à peu près la même gamme que les instruments de musique courants. Les scientifiques ont pu identifier la source de gazouillis comme des objets beaucoup moins massifs que les trous noirs observés à ce jour.
« Notre analyse de fond a montré qu’un événement de cette force se produit moins d’une fois en 80 000 ans par coïncidence aléatoire, nous avons donc immédiatement reconnu cela comme une détection très fiable et une source remarquablement proche », ajoute Laura Cadonati, professeur de physique à Georgia Tech et porte-parole adjoint de la collaboration scientifique LIGO. « Cette détection a véritablement ouvert les portes à une nouvelle façon de faire de l’astrophysique. Je m’attends à ce qu’il reste dans les mémoires comme l’un des événements astrophysiques les plus étudiés de l’histoire.
« Pendant des décennies, nous avons soupçonné que de courtes sursauts gamma étaient alimentés par des fusions d’étoiles à neutrons », déclare Julie McEnery, scientifique du projet Fermi, du Goddard Space Flight Center de la NASA. « Maintenant, avec les données incroyables de LIGO et Virgo pour cet événement, nous avons la réponse. Les ondes gravitationnelles nous disent que les objets fusionnés avaient des masses compatibles avec les étoiles à neutrons, et le flash de rayons gamma nous dit que les objets sont peu susceptibles d’être des trous noirs, car une collision de trous noirs ne devrait pas émettre de lumière. »
Mais alors qu’un mystère semble être résolu, de nouveaux mystères ont émergé. Le court sursaut gamma observé était l’un des plus proches de la Terre vu jusqu’à présent, mais il était étonnamment faible pour sa distance. Les scientifiques commencent à proposer des modèles pour expliquer pourquoi cela pourrait être, dit McEnery, ajoutant que de nouvelles informations sont susceptibles de se présenter dans les années à venir.
Bien que les détecteurs LIGO aient d’abord capté l’onde gravitationnelle aux États-Unis, Virgo, en Italie, a joué un rôle clé dans l’histoire. Du fait de son orientation par rapport à la source au moment de la détection, Virgo a récupéré un petit signal ; combiné avec les tailles et la synchronisation des signaux dans les détecteurs LIGO, cela a permis aux scientifiques de trianguler avec précision la position dans le ciel. Après avoir effectué une vérification approfondie pour s’assurer que les signaux n’étaient pas un artefact d’instrumentation, les scientifiques ont conclu qu’une onde gravitationnelle provenait d’une zone relativement petite dans le ciel austral.
« Cet événement a la localisation du ciel la plus précise de toutes les ondes gravitationnelles détectées jusqu’à présent », déclare Jo van den Brand de Nikhef (l’Institut national néerlandais de physique subatomique) et l’Université VU d’Amsterdam, qui est le porte-parole de la collaboration Virgo. « Cette précision record a permis aux astronomes d’effectuer des observations de suivi qui ont conduit à une pléthore de résultats époustouflants. »
« Ce résultat est un excellent exemple de l’efficacité du travail d’équipe, de l’importance de la coordination et de la valeur de la collaboration scientifique », ajoute Federico Ferrini, directeur d’EGO. « Nous sommes ravis d’avoir joué notre rôle dans cet extraordinaire défi scientifique : sans Virgo, il aurait été très difficile de localiser la source de l’onde gravitationnelle.
Fermi a pu fournir une localisation qui a ensuite été confirmée et grandement affinée avec les coordonnées fournies par la détection combinée LIGO-Virgo. Avec ces coordonnées, une poignée d’observatoires à travers le monde ont pu, quelques heures plus tard, commencer à rechercher la région du ciel d’où le signal était censé provenir. Un nouveau point lumineux, ressemblant à une nouvelle étoile, a d’abord été découvert par des télescopes optiques. En fin de compte, environ 70 observatoires au sol et dans l’espace ont observé l’événement à leurs longueurs d’onde représentatives.
Chaque observatoire électromagnétique publiera ses propres observations détaillées de l’événement astrophysique. Entre-temps, une image générale se dessine parmi tous les observatoires impliqués qui confirme davantage que le signal initial d’ondes gravitationnelles provenait bien d’une paire d’étoiles à neutrons en spirale.
Il y a environ 130 millions d’années, les deux étoiles à neutrons étaient dans leurs derniers instants d’orbite, séparées seulement d’environ 300 kilomètres, ou 200 miles, et accéléraient tout en réduisant la distance qui les séparait. Au fur et à mesure que les étoiles tournaient en spirale plus rapidement et plus près les unes des autres, elles étiraient et déformaient l’espace-temps environnant, dégageant de l’énergie sous la forme de puissantes ondes gravitationnelles, avant de se percuter les unes dans les autres.
Au moment de la collision, la majeure partie des deux étoiles à neutrons a fusionné en un seul objet ultradense, émettant une « boule de feu » de rayons gamma. Les mesures initiales des rayons gamma, combinées à la détection des ondes gravitationnelles, confirment également la théorie générale de la relativité d’Einstein, qui prédit que les ondes gravitationnelles devraient se déplacer à la vitesse de la lumière.
Les théoriciens ont prédit que ce qui suit la boule de feu initiale est une « kilonova » – un phénomène par lequel le matériau qui reste de la collision d’étoiles à neutrons, qui brille de lumière, est soufflé hors de la région immédiate et loin dans l’espace. Les nouvelles observations basées sur la lumière montrent que des éléments lourds, tels que le plomb et l’or, sont créés lors de ces collisions et ensuite distribués dans tout l’univers.
Dans les semaines et les mois à venir, les télescopes du monde entier continueront d’observer la rémanence de la fusion des étoiles à neutrons et de recueillir de nouvelles preuves sur les différentes étapes de la fusion, son interaction avec son environnement et les processus qui produisent les éléments les plus lourds de l’univers. .
«Lorsque nous avons planifié LIGO pour la première fois à la fin des années 1980, nous savions que nous aurions finalement besoin d’un réseau international d’observatoires d’ondes gravitationnelles, y compris en Europe, pour aider à localiser les sources d’ondes gravitationnelles afin que les télescopes basés sur la lumière puissent suivre et étudier la lueur d’événements comme cette fusion d’étoiles à neutrons », explique Fred Raab de Caltech, directeur associé de LIGO pour les opérations de l’observatoire.
LIGO est financé par la NSF et exploité par Caltech et le MIT , qui ont conçu LIGO et dirigé les projets Initial et Advanced LIGO. Le soutien financier du projet Advanced LIGO a été dirigé par la NSF avec l’Allemagne ( Max Planck Society ), le Royaume-Uni ( Science and Technology Facilities Council ) et l’Australie ( Australian Research Council ) qui ont pris des engagements et des contributions importants au projet.
Plus de 1 200 scientifiques et une centaine d’institutions du monde entier participent à l’effort par le biais de la collaboration scientifique LIGO , qui comprend la collaboration GEO et la collaboration australienne OzGrav. Des partenaires supplémentaires sont répertoriés sur http://ligo.org/partners.php
La collaboration Virgo se compose de 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 avec Nikhef ; le MTA Wigner RCP en Hongrie ; le groupe POLGRAW en Pologne ; l’Espagne avec l’Université de Valence ; et l’Observatoire gravitationnel européen, EGO, le laboratoire hébergeant le détecteur Virgo près de Pise en Italie, financé par le CNRS, l’INFN et le Nikhef.
La détection LIGO d’étoiles à neutrons en collision engendre un effort mondial pour étudier l’événement rare
La dernière détection d’ondes gravitationnelles de LIGO a engendré une explosion de nouvelles sciences dans la communauté astronomique mondiale. Le 17 août 2017, les deux instruments LIGO (financés par la National Science Foundation ) et son installation sœur, Virgo, près de Pise, en Italie, a détecté des signes révélateurs des noyaux restants de deux étoiles massives en spirale vers puis se heurtant l’une à l’autre à quelque 130 millions d’années-lumière. Les objets ont été rapidement identifiés comme des étoiles à neutrons, les noyaux effondrés d’étoiles qui étaient autrefois beaucoup plus massives que notre Soleil. On les appelle « étoiles à neutrons » parce que leur matière est si dense qu’elle est composée principalement de neutrons. Une telle étoile contenant autant de matière que notre Soleil n’aurait que 10 à 15 km de diamètre, et une cuillère à café de sa matière pèserait environ un milliard de tonnes sur Terre. En utilisant les signaux reçus dans les détecteurs de LIGO, les masses des étoiles à neutrons ont été déterminées comme étant 1,1 à 1,6 fois plus massives que notre Soleil.
Michael Landry, responsable de l’observatoire de LIGO Hanford (LHO), a expliqué ce que LIGO a vu lorsqu’il a fait cette découverte historique :
« LIGO et Virgo ont détecté 100 secondes d’ondes gravitationnelles alors que ces deux étoiles à neutrons tournaient en spirale ensemble dans une collision massive et ardente », a-t-il déclaré. « Dans une vaste campagne de suivi impliquant environ un quart des astronomes professionnels du monde, des observatoires dans l’espace et sur Terre ont détecté des rayonnements dans toutes les longueurs d’onde, des rayons gamma aux ondes radio. Mais les détecteurs LIGO et Virgo étaient absolument essentiels pour identifier et localiser l’événement dans le ciel, permettant à cette campagne de se poursuivre », a ajouté Landry.
Cette découverte ajoute une nouvelle façon d’apprendre sur l’univers grâce à « l’astronomie multi-messagers », où les données des télescopes traditionnels, des détecteurs de neutrinos et maintenant des observatoires d’ondes gravitationnelles sont partagées et comparées pour glaner des informations encore plus profondes sur la nature de l’univers.
Quand il pleut, ça se déverse
Cette détection historique est intervenue trois jours seulement après une autre détection historique , la quatrième de LIGO, qui a également été détectée par l’interféromètre Virgo à Pise en Italie, ce qui en fait la première détection par Virgo, et la première observation à trois détecteurs d’une onde gravitationnelle. Se délectant après cet événement, les scientifiques de LIGO ont été étonnés d’apprendre une autre détection, celle-ci complètement différente de tout ce que LIGO avait vu auparavant.
Salvatore (Salvo) Vitale, professeur adjoint de physique au MIT, assistait à une conférence à Amsterdam avec d’autres scientifiques du LIGO, lorsqu’il a appris pour la première fois cette deuxième détection en 3 jours . La première alerte qu’il a reçue comprenait un «taux de fausses alarmes» (FAR), une mesure de la probabilité que l’événement ne soit pas réel. Dans ce cas, le FAR a été rapporté comme 3×10 -12 , ce qui est, selon Vitale, « ridiculement bas! »
Comment ridiculement bas? Ce chiffre suggère que la probabilité que des morceaux de « bruit » aléatoires mais presque identiques ressemblant à des ondes gravitationnelles apparaissent dans les instruments essentiellement au même moment était inférieure à 1 sur 80 000 ans.
Deux minutes après cette première alerte, le premier scan de l’événement, généré automatiquement à partir des données de Hanford, a été distribué, et il était nettement différent de tout ce que LIGO avait vu auparavant. Les signaux de fusion de trous noirs ne durent que quelques fractions de seconde. Ce signal a duré bien plus de 30 secondes (au final, il a été démontré qu’il a duré près de 2 minutes, 500 fois plus longtemps que les fusions de trous noirs).
C’était en soi une surprise, comme l’a expliqué Vitale. « J’ai vu le balayage oméga de Hanford, et j’ai vu qu’il y avait un signal de chirp clair, ce dont je me souviens avoir pensé que c’était ridicule , parce que nous n’aurions jamais pensé que nous verrions quoi que ce soit dans un balayage oméga d’une fusion binaire d’étoiles à neutrons… Mais celui-ci [un ] était si fort que nous l’avons vu aussi !
En même temps que tout cela se passait, les scientifiques de LIGO ont été alertés d’un autre événement astronomique remarquable, qui s’est produit dans les 2 secondes suivant la détection de LIGO. Le télescope spatial à rayons gamma Fermi avait enregistré un « court » sursaut gamma (sGRB) à peine 1,7 seconde après l’arrivée des ondes gravitationnelles. Les sursauts gamma sont assez fréquents, mais leur cause reste un mystère. Sachant que les fusions d’étoiles à neutrons devaient générer un rayonnement électromagnétique, probablement de très haute énergie, l’excitation parmi les scientifiques du LIGO a commencé à croître à mesure qu’il devenait de plus en plus plausible que la première contrepartie électromagnétique d’une onde gravitationnelle (GW) ait été observée. L’heure d’arrivée des signaux sGRB et GW était particulièrement révélatrice et importante pour valider la relation entre eux. Vitale a expliqué: «Vous voulez que le sursaut gamma vienne après les ondes gravitationnelles parce que vous devez d’abord écraser les objets ensemble, puis le matériau est réchauffé, puis vous obtenez le rayonnement. Vous vous attendez donc à voir les ondes gravitationnelles en premier.Au fur et à mesure que les pièces commençaient à se mettre en place, l’ampleur de la détection de LIGO devenait d’autant plus importante.
« Ensuite, c’était comme… ‘D’accord. Oookay… prenons une chaise… et asseyons-nous… » dit Vitale en riant alors qu’il se rappelait ce qu’il ressentait à ce moment-là.
La seule façon de confirmer une corrélation entre le GRB et le GW, cependant, serait de trouver l’objet source dans le ciel ; mais il y avait un problème. À ce stade, seules les données de LIGO Hanford avaient été traitées et distribuées ; sans les données de Livingston, une telle localisation d’une source ne serait pas possible.Matt Evans (professeur adjoint de physique au MIT) se souvient de la vague de communication qu’il recevait dans ces premiers instants.
« Il y avait ce brouhaha de Salvo parlant d’un signal au LHO qui ressemblait à une étoile à neutrons binaire coïncidant avec l’alerte de Fermi. Mais il n’y avait rien eu de Livingston, donc il y a eu un moment de doute sur la validité du signal.
Les données manquantes de Livingston étaient déroutantes. Reed Essick (boursier postdoctoral, UChicago Kavli Institute for Cosmological Physics) a expliqué :
« Du côté de la recherche, tout semblait bon, et une vérification de l’intégrité des détecteurs nous a dit que LLO était en mode scientifique. Alors pourquoi l’événement ne s’est-il pas « déclenché » à Livingston ? »
Essick a décidé de vérifier les données de Livingston à la recherche de « problèmes », des morceaux aléatoires de bruit fort et soudain qui peuvent étouffer d’autres signaux dans les détecteurs. En exécutant un algorithme conçu spécifiquement pour cette tâche, Essick a constaté qu’un problème s’était en fait produit à LLO en même temps que le signal apparaissait dans l’interféromètre de Hanford. En parcourant les fichiers manuellement, Essick a trouvé les données horodatées avec l’heure du problème (et la détection), et c’était le cas.
« Le bug a l’air vraiment terrible sur le scan. Mais la vérité est qu’elle est grande en amplitude et courte dans le temps, donc cela ne ruinerait pas notre capacité à faire de la science là-dessus.
Evans a ajouté: «Les problèmes se produisent toutes les quelques heures, donc la probabilité qu’un atterrisse au-dessus d’un signal est très faible. Néanmoins, les gens travaillaient sur ce genre de possibilité depuis un moment, donc nous étions préparés.
Le plus remarquable, malgré la taille du pépin, le signal d’onde gravitationnelle lui-même était toujours clairement visible (voir l’image à droite). C’était un moment dont Vitale se souvenait très bien.
« C’était un mélange de bonheur, de tension et d’incrédulité. Nous avons vu cette belle image du chirp traversant le glitch et sortant de l’autre côté. Et à ce moment-là, c’était assez incroyable.
Dans un équivalent mathématique d’un jeu d’ Opération , au moins trois équipes de personnes ont commencé à travailler pour séparer le problème du signal. Comme pour tout ce qui concerne LIGO, même le nettoyage d’une fraction de seconde de données a nécessité un effort de groupe ! Finalement, le travail a payé. Après quelques heures, le problème avait été proprement éliminé et une science extraordinaire était sur le point de commencer.
En prévision de ce type d’événement, LIGO a signé des accords avec 90 observatoires astronomiques à travers le monde pour rechercher des signes de rayonnement électromagnétique (EM) s’échappant d’un événement d’ondes gravitationnelles. LIGO partage les coordonnées du ciel avec ses partenaires EM, qui peuvent alors commencer à rechercher un homologue EM. Jusqu’au 17 août, 2017, personne n’avait trouvé une telle contrepartie, mais l’attrait d’être parmi les premiers à détecter le rayonnement électromagnétique d’un événement d’ondes gravitationnelles a maintenu les partenaires astronomiques de LIGO engagés pendant plus de 10 ans. Cet événement, combiné à une détection coïncidente de rayons gamma, représentait la meilleure chance pour les astronomes de trouver quelque chose, mais pour ce faire, LIGO devait leur dire où chercher. À cette fin, les données LLO (nettoyées du pépin) ont été combinées avec les données de Hanford et de Virgo, et une carte du ciel réduisant l’emplacement possible de la source des ondes gravitationnelles a été générée. La carte GW a ensuite été superposée sur la carte GRB de Fermi et une autre région calculée à l’aide du télescope spatial à rayons gamma INTEGRAL . Le résultat était tout simplement incroyable.
L’emplacement de la source des ondes gravitationnelles tel que prédit par les données de LIGO-Virgo se situait magnifiquement à l’intérieur des régions du ciel estimées contenir la source du sursaut gamma tel que déterminé par Fermi et INTEGRAL . La zone de recherche résultante était suffisamment petite pour qu’en 12 heures , les partenaires d’astronomie optique de LIGO aient réussi à localiser et à imager une boule de feu résiduelle au bord d’une galaxie ( NGC4993) à quelque 130 millions d’années-lumière de distance – la majeure partie de ce temps a été passée à attendre le crépuscule au Chili, où les premières observations ont pu être faites. La découverte tant attendue d’un homologue EM à une détection d’ondes gravitationnelles avait été confirmée ! De plus, la réponse à une autre question longtemps recherchée a été résolue : les astronomes peuvent désormais affirmer avec certitude qu’au moins une source de courts sursauts gamma dans l’univers est en train de fusionner des étoiles à neutrons.
Pour LIGO, cette observation optique était importante pour une autre raison. La distance à la galaxie, telle que déterminée par les astronomes, était tout à fait cohérente avec la distance estimée par LIGO de la source des ondes gravitationnelles. Ainsi, les astronomes ont fourni une vérification totalement indépendante que les méthodes de LIGO pour déterminer les distances aux sources d’ondes gravitationnelles sont valables.
À partir de ce moment, tous les yeux étaient, et continuent d’être (maintenant deux mois après la détection initiale), vers le ciel. Les partenaires d’astronomie de LIGO ont immédiatement commencé à observer cet objet dans toutes les longueurs d’onde possibles, des rayons gamma au rayonnement visible en passant par les ondes radio, à mesure que «l’objet» restant change avec le temps. A ce jour, quelque 70 partenaires d’astronomie optique du LIGO ont observé cet événement extraordinaire.
Aujourd’hui, rares sont ceux qui seraient en désaccord avec l’affirmation selon laquelle le niveau d’intérêt et d’étude de cet événement est sans précédent. Dans les 8 semaines suivant la détection, plus de 100 articles scientifiques décrivant les résultats des études de suivi ont été rédigés par des scientifiques du monde entier. Des dizaines de ces articles ont été publiés le lundi 16 octobre seulement , et beaucoup d’autres suivront certainement dans les mois et peut-être les années à venir, ce qui en fait l’événement astronomique le plus largement et intensément étudié de l’histoire humaine.
Sens plus profond
Au-delà de l’évidente importance scientifique de cette découverte, l’importance de cet événement pour le Laboratoire LIGO et la collaboration au sens large va beaucoup plus loin. Pour beaucoup, cette détection unique représente l’apogée des carrières, l’aboutissement de décennies de travail acharné et de dévouement à LIGO et à la science des ondes gravitationnelles.
Le Dr Fred Raab, directeur associé des opérations de l’observatoire à l’observatoire LIGO de Hanford, a partagé ce que cette dernière découverte signifie pour lui :
«Après près de 30 ans de travail pour cette découverte, je savais que l’observation de la dernière minute d’un système d’étoiles à neutrons binaires donnerait une précision sans précédent dans ses paramètres. Pourtant, je n’ai pas pu continuer à lire une première ébauche de papier où j’ai vu pour la première fois le nombre de la masse de chirp, un paramètre clé du système. J’ai regardé avec émerveillement pendant des minutes ce nombre, mesuré à 4 chiffres significatifs pour une paire d’étoiles à plus de 100 millions d’années-lumière de la Terre.
Raab a poursuivi: « Cette observation signifie que LIGO est en train de passer de l’étude des régions extrêmes de l’espace-temps aux états extrêmes de la matière. »
Mike Zucker, scientifique des systèmes LIGO, a eu une réaction similaire dans les premiers jours suivant la détection :
«Je suis littéralement resté éveillé pendant des jours après GW170817 en regardant les [avis d’astronomie] arriver, émerveillé par toutes les implications extraordinaires alors que les révélations se surpassaient les unes les autres. Je ne suis qu’un mécanicien de détecteurs, mais je considère que c’est la réalisation la plus importante de ma carrière.
Janeen Romie, responsable du groupe d’ingénierie des détecteurs de LLO, était dans son bureau à Livingston et parlait à son mari au téléphone lorsqu’elle a reçu la première alerte :
« J’ai remarqué qu’il s’agissait d’une fusion d’étoiles à neutrons binaires et je me suis dit : « Je dois raccrocher ! Je dois courir dans le couloir ! Je dois découvrir ce qui se passe ! »
Incapable de partager la nouvelle avec qui que ce soit en dehors de LIGO, la seule chose que Romie pouvait faire était de courir et de parler à ses collègues.
« C’est pourquoi c’était si drôle pour moi », a-t-elle ri, « j’ai raccroché au nez de mon mari ! »
Matt Evans a partagé ce qu’il pense être le plus significatif pour le laboratoire LIGO à la lumière de cette découverte :
« Cette détection, et en particulier la détection du triple trou noir binaire avec Virgo, est importante car elle démontre que nous (LIGO) ne sommes pas les seuls à prétendre détecter les ondes gravitationnelles », a-t-il déclaré. « Cet événement renforce notre position en astronomie, pas seulement en physique. D’autres projets dans le monde en bénéficieront grandement. Nous pouvons vraiment faire de l’astronomie multi-messagers, et c’est vraiment significatif et utile.
Ce sentiment a été repris par Essick et Vitale :
« Ce qui est le plus important est représenté par le ‘O’ dans LIGO », a déclaré Essick, se référant au fait que le ‘O’ dans LIGO signifie Observatoire. « Cela fait des décennies que nous vendons l’idée que nous allons détecter les étoiles à neutrons binaires, et maintenant nous l’avons enfin fait. Nous avons tenu cette promesse.
Vitale serait d’accord : « Je pense que cet événement nous rapproche un peu plus de l’astronomie », a-t-il déclaré. « La détection de ces événements… il ne s’agit plus seulement de « collectionner des timbres ». Maintenant, nous pouvons faire beaucoup de choses sympas.
Les sentiments de Salvatore étaient encore un peu plus profonds :
« Ces quelques jours ont été parmi les plus beaux jours de ma vie », a-t-il déclaré. « Nous avons continué à recevoir les circulaires des astronomes. Ils disaient, ‘oh, nous avons un GRB’, ‘oh, nous avons trouvé une contrepartie EM en optique’, ‘oh, nous avons trouvé la galaxie’, ‘nous avons trouvé les rayons X’, etc. C’était… incroyable. »
Il fit une pause pour un moment; puis poursuivi :
« Ça a aussi été triste », a-t-il dit. « Je ne sais pas si je revivrai un jour un tel moment dans ma vie. »
Il est douteux que quiconque chez LIGO le fasse.
Les missions de la NASA captent la première lumière d’un événement d’ondes gravitationnelles
Pour la première fois, des scientifiques de la NASA ont détecté de la lumière liée à un événement d’ondes gravitationnelles, grâce à la fusion de deux étoiles à neutrons dans la galaxie NGC 4993, située à environ 130 millions d’années-lumière de la Terre dans la constellation de l’Hydre.
Peu après 8 h 41 HAE le 17 août, le télescope spatial à rayons gamma Fermi de la NASA a capté une impulsion de lumière à haute énergie provenant d’une puissante explosion, qui a été immédiatement signalée aux astronomes du monde entier sous la forme d’une courte rafale de rayons gamma. Les scientifiques de l’Observatoire des ondes gravitationnelles de l’interféromètre laser (LIGO) de la National Science Foundation ont détecté des ondes gravitationnelles appelées GW170817 provenant d’une paire d’étoiles éclatantes liées au sursaut gamma, encourageant les astronomes à rechercher les conséquences de l’explosion . Peu de temps après, le sursaut a été détecté dans le cadre d’une analyse de suivi par le satellite INTEGRAL de l’ESA (Agence spatiale européenne).
Les missions Swift, Hubble, Chandra et Spitzer de la NASA, ainsi que des dizaines d’observatoires au sol, y compris l’ enquête Pan-STARRS financée par la NASA , ont ensuite capturé la lueur décolorée des débris en expansion de l’explosion.
« C’est une science extrêmement passionnante », a déclaré Paul Hertz, directeur de la division d’astrophysique de la NASA au siège de l’agence à Washington. « Maintenant, pour la première fois, nous avons vu des ondes lumineuses et gravitationnelles produites par le même événement. La détection de la lumière d’une source d’ondes gravitationnelles a révélé des détails de l’événement qui ne peuvent pas être déterminés à partir des seules ondes gravitationnelles. L’effet multiplicateur de étude avec de nombreux observatoires est incroyable. »
Les étoiles à neutrons sont les noyaux écrasés et restants d’étoiles massives qui ont déjà explosé en supernova il y a longtemps. Les étoiles fusionnées avaient probablement des masses entre 10 et 60% supérieures à celle de notre Soleil, mais elles n’étaient pas plus larges que Washington, DC. La paire tournait l’une autour de l’autre des centaines de fois par seconde, produisant des ondes gravitationnelles à la même fréquence. Au fur et à mesure qu’elles se rapprochaient et tournaient plus vite en orbite, les étoiles se sont finalement séparées et ont fusionné, produisant à la fois un sursaut gamma et une poussée rarement vue appelée « kilonova ».
« C’est celui que nous attendions tous », a déclaré David Reitze, directeur exécutif du laboratoire LIGO de Caltech à Pasadena, en Californie. « Les fusions d’étoiles à neutrons produisent une grande variété de lumière car les objets forment un maelström de débris chauds lorsqu’ils entrent en collision. Fusionner des trous noirs – les types d’événements que LIGO et son homologue européen, Virgo, ont déjà vus – consomme très probablement n’importe quelle matière autour d’eux bien avant qu’ils ne s’écrasent, donc nous ne nous attendons pas au même genre de spectacle de lumière. »
« L’explication préférée des sursauts gamma courts est qu’ils sont causés par un jet de débris se déplaçant à une vitesse proche de la vitesse de la lumière produite lors de la fusion d’étoiles à neutrons ou d’une étoile à neutrons et d’un trou noir », a déclaré Eric Burns, membre de l’équipe de Fermi Gamma-ray Burst Monitor au Goddard Space Flight Center de la NASA à Greenbelt, Maryland. « LIGO nous dit qu’il y a eu une fusion d’objets compacts, et Fermi nous dit qu’il y a eu une courte rafale de rayons gamma. Ensemble, nous savons que ce que nous avons observé était la fusion de deux étoiles à neutrons, confirmant de façon spectaculaire la relation. »
Quelques heures après la détection initiale de Fermi, LIGO et le détecteur Virgo de l’ Observatoire gravitationnel européen près de Pise, en Italie, ont considérablement affiné la position de l’événement dans le ciel grâce à une analyse supplémentaire des données d’ondes gravitationnelles. Des observatoires au sol ont alors rapidement localisé une nouvelle source optique et infrarouge – la kilonova – dans NGC 4993.
Pour Fermi, cela semblait être un sursaut gamma court typique, mais il s’est produit à moins d’un dixième de la distance de tout autre sursaut court avec une distance connue, ce qui en fait l’un des plus faibles connus. Les astronomes essaient toujours de comprendre pourquoi ce sursaut est si étrange et comment cet événement est lié aux sursauts gamma plus lumineux observés à des distances beaucoup plus grandes.
Les missions Swift, Hubble et Spitzer de la NASA ont suivi l’évolution de la kilonova pour mieux comprendre la composition de ce matériau plus lent, tandis que Chandra a recherché des rayons X associés aux restes du jet ultra-rapide.
Lorsque Swift s’est tourné vers la galaxie peu de temps après la détection du sursaut gamma de Fermi, il a trouvé une source ultraviolette (UV) brillante et s’estompant rapidement. « Nous ne nous attendions pas à ce qu’une kilonova produise une émission UV brillante », a déclaré S. Bradley Cenko de Goddard, chercheur principal pour Swift. « Nous pensons que cela a été produit par le disque de débris de courte durée qui a alimenté le sursaut gamma. » Au fil du temps, la matière projetée par le jet ralentit et s’élargit à mesure qu’elle balaie et chauffe la matière interstellaire, produisant ce que l’on appelle une émission rémanente qui comprend des rayons X.
Mais le vaisseau spatial n’a vu aucun rayon X – une surprise pour un événement qui a produit des rayons gamma de plus haute énergie.
L’observatoire de rayons X Chandra de la NASA a clairement détecté des rayons X neuf jours après la découverte de la source . Les scientifiques pensent que le retard était le résultat de notre angle de vision et qu’il a fallu du temps pour que le jet dirigé vers la Terre s’étende dans notre champ de vision.
« La détection des rayons X démontre que les fusions d’étoiles à neutrons peuvent former de puissants jets se diffusant à une vitesse proche de la lumière », a déclaré Eleonora Troja de Goddard, qui a dirigé l’une des équipes de Chandra et a découvert l’émission de rayons X. « Nous avons dû attendre neuf jours pour le détecter car nous l’avons vu de côté, contrairement à tout ce que nous avions vu auparavant. »
Le 22 août, le télescope spatial Hubble de la NASA a commencé à imager la kilonova et à capturer son spectre proche infrarouge , qui a révélé le mouvement et la composition chimique des débris en expansion.
« Le spectre ressemblait exactement à la façon dont les physiciens théoriciens avaient prédit le résultat de la fusion de deux étoiles à neutrons », a déclaré Andrew Levan de l’Université de Warwick à Coventry, en Angleterre, qui a dirigé l’une des propositions d’observations spectrales de Hubble. « Il a lié cet objet à la source d’ondes gravitationnelles au-delà de tout doute raisonnable. »
Les astronomes pensent que la lumière visible et infrarouge d’une kilonova provient principalement du chauffage résultant de la désintégration des éléments radioactifs formés dans les débris riches en neutrons. Les étoiles à neutrons qui s’écrasent pourraient être la principale source de l’univers pour bon nombre des éléments les plus lourds, y compris le platine et l’or.
En raison de son orbite en retrait de la Terre, Spitzer était idéalement situé pour observer la kilonova longtemps après que le Soleil se soit trop rapproché de la galaxie pour que d’autres télescopes puissent la voir. L’observation de Spitzer du 30 septembre a capturé la lumière infrarouge de la plus longue longueur d’onde de la kilonova, qui dévoile la quantité d’éléments lourds forgés.
« Spitzer a été le dernier à rejoindre le parti, mais il aura le dernier mot sur la quantité d’or forgé », explique Mansi Kasliwal, professeur adjoint à Caltech et chercheur principal du programme d’observation Spitzer.
De nombreux articles scientifiques décrivant et interprétant ces observations ont été publiés dans Science, Nature, Physical Review Letters et The Astrophysical Journal.
Les ondes gravitationnelles ont été directement détectées pour la première fois en 2015 par LIGO, dont les architectes ont reçu le prix Nobel de physique 2017 pour cette découverte.
Les étoiles à neutrons condamnées créent un souffle de lumière et des ondes gravitationnelles
Pour la première fois, des scientifiques de la NASA ont détecté de la lumière liée à un événement d’ondes gravitationnelles, grâce à la fusion de deux étoiles à neutrons dans la galaxie NGC 4993, située à environ 130 millions d’années-lumière de la Terre dans la constellation de l’Hydre.
Peu après 8 h 41 HAE le 17 août, le télescope spatial à rayons gamma Fermi de la NASA a capté une impulsion de lumière à haute énergie provenant d’une puissante explosion, qui a été immédiatement signalée aux astronomes du monde entier sous la forme d’une courte rafale de rayons gamma. Les scientifiques de l’Observatoire des ondes gravitationnelles de l’interféromètre laser (LIGO) de la National Science Foundation ont détecté des ondes gravitationnelles appelées GW170817 provenant d’une paire d’étoiles éclatantes liées au sursaut gamma, encourageant les astronomes à rechercher les conséquences de l’explosion. Peu de temps après, le sursaut a été détecté dans le cadre d’une analyse de suivi par le satellite INTEGRAL de l’ESA (Agence spatiale européenne).
Les missions Swift, Hubble, Chandra et Spitzer de la NASA, ainsi que des dizaines d’observatoires au sol, y compris l’enquête Pan-STARRS financée par la NASA, ont ensuite capturé la lueur décolorée des débris en expansion de l’explosion.
Les étoiles à neutrons sont les noyaux écrasés et restants d’étoiles massives qui ont déjà explosé en supernova il y a longtemps. Les étoiles fusionnées avaient probablement des masses entre 10 et 60% supérieures à celle de notre Soleil, mais elles n’étaient pas plus larges que Washington, DC. La paire tournait l’une autour de l’autre des centaines de fois par seconde, produisant des ondes gravitationnelles à la même fréquence. Au fur et à mesure qu’elles se rapprochaient et tournaient plus vite en orbite, les étoiles se sont finalement séparées et ont fusionné, produisant à la fois un sursaut gamma et une poussée rarement vue appelée « kilonova ».
Les fusions d’étoiles à neutrons produisent une grande variété de lumière car les objets forment un maelström de débris chauds lorsqu’ils entrent en collision. La fusion des trous noirs – les types d’événements que LIGO et son homologue européen, Virgo, ont déjà vus – consomme très probablement toute matière qui les entoure bien avant qu’ils ne s’effondrent, nous ne nous attendons donc pas au même type de spectacle lumineux.
Quelques heures après la détection initiale de Fermi, LIGO et le détecteur Virgo de l’Observatoire gravitationnel européen près de Pise, en Italie, ont considérablement affiné la position de l’événement dans le ciel grâce à une analyse supplémentaire des données d’ondes gravitationnelles. Des observatoires au sol ont alors rapidement localisé une nouvelle source optique et infrarouge – la kilonova – dans NGC 4993.
Pour Fermi, cela semblait être un sursaut gamma court typique, mais il s’est produit à moins d’un dixième de la distance de tout autre sursaut court avec une distance connue, ce qui en fait l’un des plus faibles connus. Les astronomes essaient toujours de comprendre pourquoi ce sursaut est si étrange et comment cet événement est lié aux sursauts gamma plus lumineux observés à des distances beaucoup plus grandes.
Les missions Swift, Hubble et Spitzer de la NASA ont suivi l’évolution de la kilonova pour mieux comprendre la composition de ce matériau plus lent, tandis que Chandra a recherché des rayons X associés aux restes du jet ultra-rapide.
GW170817 : Observation des ondes gravitationnelles d’une étoile binaire à neutrons Inspiral
Le 17 août 2017 à 12∶41:04 UTC, les détecteurs d’ondes gravitationnelles Advanced LIGO et Advanced Virgo ont fait leur première observation d’une étoile à neutrons binaire en spirale. Le signal, GW170817, a été détecté avec un rapport signal/bruit combiné de 32,4 et une estimation du taux de fausses alarmes inférieure à une par 8,0 × 104 ans. Nous en déduisons que les masses des composantes du binaire se situent entre 0,86 et 2,26 M⊙, en accord avec les masses des étoiles à neutrons connues. En restreignant les spins des composants à la gamme déduite dans les étoiles à neutrons binaires, nous trouvons que les masses des composants se situent dans la gamme 1,17–1,60 M⊙, avec la masse totale du système 2,74+0,04−0,01M⊙. La source était localisée dans une région du ciel de 28 deg2 (probabilité de 90%) et avait une distance de luminosité de 40+8−14 Mpc, le signal d’onde gravitationnelle le plus proche et le plus précisément localisé à ce jour. L’association avec le sursaut γ GRB 170817A, détecté par Fermi-GBM 1,7 s après la coalescence, corrobore l’hypothèse d’une fusion d’étoiles à neutrons et fournit la première preuve directe d’un lien entre ces fusions et les sursauts γ courts. L’identification ultérieure d’homologues transitoires à travers le spectre électromagnétique au même endroit soutient davantage l’interprétation de cet événement comme une fusion d’étoiles à neutrons. Cette observation gravitationnelle et électromagnétique conjointe sans précédent donne un aperçu de l’astrophysique, de la matière dense, de la gravitation et de la cosmologie.
https://www.nasa.gov/press-release/nasa-missions-catch-first-light-from-a-gravitational-wave-event
https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.119.161101
https://www.ligo.caltech.edu/page/press-release-gw170817