16 octobre 2017
La fusion de deux étoiles hyperdenses fait résonner l'Univers
La découverte d'un nouveau type d'onde gravitationnelle

A l'aide d'une panoplie de détecteurs développés avec la participation du CEA, les physiciens du CEA-Irfu ont scruté la région d'où est provenue l'onde gravitationnelle détectée le 17 août 2017 par les installations LIGO-VIRGO. A la différence des quatre détections précédentes d'ondes du même type découvertes depuis 2015, cette nouvelle vibration de l'espace,  baptisée GW170817, s'avère d'origine différente. Elle ne résulte pas de la fusion de deux trous noirs mais de deux étoiles les plus denses connues, les étoiles à neutrons.
Grâce au satellite INTEGRAL en orbite, les astrophysiciens du Département d'Astrophysique-Laboratoire AIM (CEA, CNRS, Univ Paris Diderot) ont pu montrer que l'onde GW170817 s'était accompagnée d'un sursaut gamma, brève bouffée de rayons gamma  émise juste 2 secondes après la fusion des deux astres. En pointant en un temps record un des télescopes géants du VLT (Chili), ils ont également participé à l'étude de l'émission de lumière visible qui a suivi la fusion, montrant notamment que cette lumière n'était pas polarisée.
Les physiciens du Département de Physique de Particules du CEA-Irfu ont également analysé les données obtenues par les experiences ANTARES pour la recherche de neutrinos et H.E.S.S. pour la recherche de rayons gamma de très hautes énergies, montrant que l'onde GW170817 n'avait pas fourni d'émission détectable.

L'étude de ce phénomène nouveau, jamais observé jusqu'ici directement, offre de nombreuses perspectives excitantes pour l'astrophysique comme la possibilité de mieux comprendre l'origine des éléments très lourds de l'Univers et même la capacité de mesurer de façon totalement indépendante le taux d'expansion de l'Univers.
L'ensemble de ces résultats exceptionnels est publié le 16 octobre 2017 dans une série d'articles présentés dans les revues Nature, Astrophysical Journal et Physical Review Letters.

 

De formidables oreilles cosmiques

Le 17 août 2017 à 12h 41min 20s en Temps Universel (TU), La collaboration LIGO-Livingston et LIGO-Hanford aux USA et Advanced VIRGO (Italie) a observé un signal d'ondes gravitationnelles d'un type nouveau et a donné l’alerte à un réseau de télescopes. Cinq heures après l’alerte, la zone de localisation de l’émission de l’onde-G est affinée. Cette zone qui couvre environ 30 deg2 (soit 120 fois la taille de la pleine lune) va permettre aux  petits télescopes à  grand champ de vue d’examiner cette boite d’erreur pour découvrir que cette minuscule déformation de l'espace-temps provient de la périphérie de la galaxie NGC 4393, située à environ 130 millions d'années-lumière de la Terre.

L'onde gravitationnelle est une forte déformation de l'espace-temps qui peut être créée par exemple par la fusion de deux astres. Tout comme le caillou jeté dans l'eau engendre une vague qui va en s'affaiblissant, l'onde-G se propage sans entrave dans l'Univers mais en diminuant progressivement d'intensité.

C'est seulement la cinquième onde gravitationnelle cosmique publiée à ce jour. C'est la durée et la forme de l'onde-G qui suggèrent fortement qu'il s'agit de la fusion de deux étoiles à neutrons de masse entre 1,1 et 1,6 fois la masse du Soleil. L'alerte publiée par une circulaire astronomique destinée aux astronomes du monde entier a engagé une course contre la montre pour rechercher un écho lumineux associé à ce lointain bruit cosmique.

 

Les trois installations LIGO-Hanford et LIGO_Livingstone (ici en haut, à gauche) et VIRGO (en bas à gauche) ont enregistré le passage d'une onde gravitationnelle, GW170817, le 17 août 2017, correspondant à la fusion de deux étoiles à neutrons. La détection conjointe a permis de délimiter la zone d'émission (zone vert foncé) correspondant aussi à la zone du sursaut gamma FERMI/INTEGRAL (en bleu).

Un détecteur omni-directionnel à bord du satellite INTEGRAL

Le satellite européen à rayons gamma INTEGRAL, dans l'espace depuis 2002, possède à son bord deux instruments, l'imageur IBIS  (Imager on-Board the INTEGRAL Satellite) et le spectromètre SPI (SPectrometer for Integral), capables de localiser et mesurer l'énergie des rayons X-durs et gamma (entre 15 keV et 10 MeV). Pour se protéger des particules cosmiques chargées, le spectromètre SPI est doté d'un bouclier dit "d'anticoïncidence". Ce dispositif (SPI/ACS) peut enregistrer en permanence particules et rayons gamma provenant de la quasi-totalité du ciel avec une résolution temporelle de 50 millisecondes.

Dès l'alerte connue, les données de SPI/ACS ont été analysées et ont révélé un net excès de rayons gamma arrivés seulement 2 secondes après l'onde-G. Même si l'origine exacte de cette brève bouffée de rayons gamma dite aussi "sursaut gamma" ne pouvait être précisée très exactement, la bande de ciel d'où elle pouvait provenir contenait bien la région où avait été également produite l'onde-G. Ce sursaut gamma, GRB 170817A, a également été enregistré de façon indépentante par le satellite FERMI. Pour la première fois, une onde-G était donc accompagnée d'une émission lumineuse.

 

A gauche : la région du ciel d'ou provient potentiellement le sursaut gamma détecté par INTEGRAL (délimité par les lignes violettes), incluant la région de l'onde-G (GW170817) (contours surlignés en rouge). A droite, le sursaut gamma détecté (GRB170817A), survenu 2 secondes après l'émission de l'onde-G (GW170817). Crédits INTEGRAL/ESA

Pas une supernova mais une "kilonova"

Dès l'alerte de GW170817, pas moins de 70 observatoires sur Terre et dans l’espace ont été braqués sur la région de l'onde-G. C'est le petit télescope Swope (1m de diamètre) à l'observatoire Las Campanas (Chili) qui, le 18 août à 1h53 TU, soit treize heures seulement après l'alerte, a réussi le premier à localiser précisément une source lumineuse transitoire, baptisée SSS17a, ayant atteint la magnitude 16 (dans la bande I), à la périphérie de la galaxie elliptique NGC 4993.

Dans le cadre du programme "Test de modèles de particules relativistes grâce à l'étude polarimétrique des rémanents de sursauts gamma" dirigé par Stéfano Covino, les astrophysiciens du DAp ont pu utiliser un des télescopes de 8m de diamètre du Very Large Telescope (VLT-Chili) pour observer la source SSS17a. Ils ont notamment constaté que la lumière visible émise lors de la fusion des étoiles n'était pas polarisée, c'est-à-dire qu'elle n'était pas émise selon une orientation privilégiée, comme c'est le cas par exemple dans des jets de matière dominée par le champ magnétique. Cette simple constatation laisse supposer au contraire que l'émission provient d'une zone homogène. L'ensemble des observations suggère en effet que la lumière émise provient d'une partie de la matière des étoiles à neutrons éjectée lors de la fusion. Dans l'éjection, de nombreux neutrons sont libérés et génèrent par collisions avec la matière des noyaux de plus en plus lourds. Une partie de ces noyaux sont radioactifs et instables et se désintègrent progressivement, produisant le rayonnement observé. Ce phénomène, prédit théoriquement, a été baptisé "kilonova" car il est moins lumineux que celui d'une supernova. Si la fréquence des fusions d'étoiles à neutrons est suffisamment élevée, les kilonovae pourraient être la source principale dans l'Univers des atomes lourds, comme le plomb, le platine ou l'or.

 

A gauche : l'image du sondage Sloan Digital Sky montrant l'image "normale" de la galaxie elliptique NGC 4993. A droite : l'image obtenue avec l'instrument FORS2 du VLT le 20 aout 2017, montrant la source transitoire SSS-17a, site origine de l'onde-G, deux jours auparavant. Crédits SDSS -ESO

Une priorité pour tous les types de télescopes de la planète

Les physiciens du Département de Physique de Particules du CEA-Irfu ont mis à contribution les instruments développés depuis de nombreuses années pour l'observation des phénomènes de haute énergie dans l'Univers. C'est le cas de l'expérience ANTARES, observatoire sous-marin au large de Toulon pour la detection des neutrinos. La fusion de deux étoiles à neutrons libère en effet ce genre de particules. Aucun excès de neutrinos n'a pu être mesuré dans la zone d'émission de l'onde-G.
Les télescopes de l'expérience H.E.S.S. (High Energy Stereoscopic System) situés en Namibie enregistrent les gerbes de particules produites par le rayonnement gamma de très haute énergie (Tev). Différentes observations, cinq heures après l'alerte n'ont pas détecté de contrepartie gamma à l'onde-G.

 

A gauche : la recherche de neutrinos de GW170817 sur le ciel, à l'aide de différentes installations. La position de GW170817 est surlignée en rouge avec, au centre, la galaxie NGC4993 (croix). Les neutrinos détectés par ANTARES lors de l'émission de GW170817 sont montrés par des croix rouges. Aucune ne correspond a la position de GW170817, de même que pour les autres installations. A droite : la carte des rayons gamma de hautes énergies détectés par HESS. A l'emplacement de GW170817/SSS17a (cercle), aucune émission n'est détectée. Crédits Antares/HESS.

L'impact sur les missions futures

La découverte de GW170718 aura aussi un impact important sur les missions futures comme celle de SVOM ( pour Space-based multi-band astronomical Variable Objects Monitor), une expérience franco-chinoise developpée au CEA-Irfu, qui doit être satellisée en 2021. Avec les caractéristiques du sursaut gamma détecté par FERMI-, les physiciens de SVOM ont simulé les réponses de leurs instruments. Les astrophysiciens peuvent démontrer aujourd'hui que, non seulement les détecteurs de SVOM auraient pu mesurer le flux de rayons X et gamma de GW170817, mais aussi que le télescope à bord en lumière visible VT (Visible Telescope), ainsi que les télescopes robotiques de surveillance (F-GFT) associés à la mission, pourront également sans difficulté localiser la source de l'onde-G.

L’observatoire Cherenkov Telescope Array (CTA), actuellement en préparation, développera aussi une stratégie de recherche en temps réel à partir des alertes de sursauts gamma associées ou non à des ondes gravitationnelles.

 

A gauche : seuil de détection du sursaut GRB170817a associé à l'onde G pour la caméra ECLAIR (en rouge) et l'instrument GRM (en bleu) de SVOM, en fonction de l'angle selon lequel est vu le sursaut, comparés aux seuils d'alerte (lignes horizontales). Le sursaut GRB170817 aurait été parfaitement détecté sous un angle jusqu'à 40°. A droite : évolution reconstituée de l'émission de lumière visible-infrarouge (kilonova) correspondant à l'onde-G et comparaison au seuil de détection des télescopes VT (Visible Telescope) à bord de SVOM (simulation de l'image de SSS17a) et du télescope F-GFT de suivi au sol. Crédits CEA-DAp.

Une nouvelle astronomie

La première détection avérée d'une fusion d'étoiles à neutrons ouvre des horizons tout à fait nouveaux. A la différence des fusions de trous noirs, les fusions d'étoiles à neutrons sont accompagnées d'une émission de lumière  permettant par exemple de localiser précisément le lieu de la fusion.
Les modèles théoriques sont aujourd'hui suffisamment précis pour prédire l'amplitude de l'onde-G à la source . Par comparaison avec l'amplitude mesurée, la distance à la source peut donc etre déduite. Les astrophysiciens utilisent déjà les supernovae comme "chandelles standard", demain ils pourront utiliser ce type d'onde-G comme des "sirènes standard", si l'on considère l'analogie de l'onde-G avec une onde acoustique. Comme les astrophysiciens peuvent par ailleurs mesurer le décalage vers le rouge de la lumière, ils ont donc une relation distance-décalage vers le rouge qui mesure le taux l'expansion de l'Univers (la constante de Hubble) avec la seule localisation d'une onde-G de ce type.
Seule inquiétude aujourd'hui, les fusions d'étoiles à neutrons sont-elles suffisamment fréquentes pour permettre à court terme ce genre de mesure qui pourrait révolutionner la cosmologie ?

 

Rendez-vous à l'automne 2018 lorsque les interféromètres LIGO et VIRGO reprendront leur campagne de détection !

 

Contacts : Philippe LAURENT, Diego GÖTZ, Fabien SCHUSSLER, Bertrand CORDIER, Stéphane SCHANNE

Publications :

"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 et al. Nature, 16 octobre 2017. DOI: 10.1038/nature24298

"The unpolarized macronova associated with the gravitational wave event GW170817"
S. Covino et al., Nature Astronomy, doi: 10.1038/s41150-017-0285-z

"TEV gamma-ray observation of the binary neutron star merger GW170817 with H.E.S.S."
Abdalla et al. (H.E.S.S Collaboration), submitted to APJL (arXiv:1710.05862)

 "Search for high-energy neutrinos from binary neutron star merger GW170817 with ANTARES, ICECUBE, and the Pierre-Auger observatory"
ANTARES, Auger, IceCube, Virgo and Ligo collaborations; submitted to APJL (arXiv:1710.05839)

Voir aussi :

 


Rédaction: J.M. Bonnet-Bidaud, P. Laurent, D. Gotz, F. Schussler, B. Cordier, S. Kerhoas

 

Maj : 30/10/2017 (4203)

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