Une fusion d’étoiles à neutrons observée pour la première fois

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C’est une découverte historique. Pour la première fois, des scientifiques ont pu observer la fusion de deux étoiles à neutrons, un des secrets les mieux gardés de l’univers, véritable « feu d’artifice » dont l’observation a commencée par la détection d’ondes gravitationnelles.

« Ce qui est merveilleux c’est que l’on a vu toute l’histoire se dérouler : on a vu les étoiles à neutrons se rapprocher, tourner de plus en vite l’une autour de l’autre, on a vu la collision, puis la matière, les débris envoyés partout », a expliqué Benoît Mours, directeur de recherche CNRS.

La question de l’origine de l’or sur terre révolue

Cette observation inédite apporte des réponses à plusieurs « mystères » scientifiques. Non seulement les chercheurs en savent davantage sur la fusion violente des étoiles à neutrons, un phénomène encore jamais observé, mais ils ont résolu la question de l’origine de l’or sur Terre et ont pu calculer la vitesse de l’expansion de l’univers.

Le 17 août, pendant 100 secondes, des ondes gravitationnelles sont arrivées jusqu’aux détecteurs américains Ligo et européen Virgo, donnant l’alerte. Derrière ce signal, différent de ceux observés précédemment, deux étoiles à neutrons sur le point de fusionner. Dans les heures et les jours suivants, d’autres « messagers » arriveront de l’espace : des sursauts gamma, des rayons X, des rayonnements ultraviolets et infrarouges ou encore des ondes hertziennes.

En fin de vie, les étoiles explosent

« C’est une première d’observer un même phénomène cosmique avec des ondes gravitationnelles et de la lumière », s’est enthousiasmé Benoît Mours, responsable scientifique de la collaboration Virgo pour la France.

Les étoiles à neutrons sont les objets les plus denses du cosmos, d’une masse comprise entre 1,1 et 1,6 fois la masse du soleil. Si on pouvait remplir une petite cuillère avec de « l’étoile à neutrons », elle pèserait l’équivalent de 100.000 tours Eiffel.

Ces petits corps sont les vestiges d’étoiles plus grosses. En fin de vie, les étoiles très massives explosent violemment. Une fois cette explosion terminée (un phénomène que l’on appelle supernova), restent des objets extrêmement denses (des trous noirs ou des étoiles à neutrons).

Des usines à métaux

Les étoiles observées en août allaient par deux. De la taille d’une ville comme Londres, elles tournoyaient l’une autour de l’autre dans la constellation de l’Hydre de l’hémisphère austral, à 130 millions d’années lumière, précise un communiqué du CNRS, membre de Virgo.

« Les étoiles à neutrons atteignent des températures extrêmement hautes, peut-être un million de degrés. Elles sont également très radioactives, leurs champs magnétiques sont incroyablement intenses et seraient fatals à quiconque s’approcherait », a expliqué Patrick Sutton, responsable de l’équipe de physique gravitationnelle de l’université de Cardiff. « Elles représentent sans doute l’environnement le plus hostile de l’univers ».

De leur observation, les chercheurs ont pu définir une nouvelle façon de mesurer la vitesse de l’expansion de l’univers et ont pu confirmer que la gravitation se propage bel et bien à la vitesse de la lumière comme l’avait prédit Albert Einstein. Ces observations apportent également une solution à l’énigme de l’origine des éléments les plus lourds de l’Univers comme le plomb, l’or ou le platine. Selon les études, ces fusions d’étoiles à neutrons sont des « usines à éléments lourds », du fait de l’abondance de neutrons.

Cette découverte fait l’objet de plus d’une dizaine d’études publiées lundi dans les plus prestigieuses revues scientifiques comme Nature et Science. Plusieurs conférences de presse simultanées avaient aussi lieu à Washington, Paris, Londres ou encore Berlin…

D’intenses jets de rayons gamma

Un autre phénomène mal connu a pu être lié à la kilonova : les sursauts gamma. Détectés immédiatement après les ondes gravitationnelles, les rayons gamma de ce jet intense ont bien été produits par l’explosion, ce qui confirme la théorie que la fusion d’étoiles à neutrons fait partie des origines possibles de ces émissions d’énergie.

« Depuis des décennies, nous suspections que les sursauts gamma courts pouvaient être alimentés par la fusion d’étoiles à neutrons », explique Julie McEnery, du Goddard Space Flight Center de la Nasa, qui travaille sur le télescope spatial Fermi. « Aujourd’hui, avec les données incroyables de Ligo et Virgo, nous avons la réponse. »

Une surprise cependant : le jet de rayons gamma, l’un des plus proches de la Terre jamais observés, était étonnamment faible par rapport à sa distance. Les scientifiques vont donc tenter d’expliquer cela dans les années à venir.

L’expansion de l’univers

GW170817 est également une mine d’or théorique pour les physiciens. Dans l’une des études publiées à la suite de l’observation du mois d’août, des chercheurs ont utilisé les données recueillies pour mesurer l’expansion de l’univers, ce que l’on appelle la constante de Hubble. Bonne nouvelle, cette mesure est en accord avec les estimations précédentes, la kilonova ne va donc pas remettre en cause la théorie mais au contraire la renforcer.

Une nouvelle astronomie plurielle

La fusion d’étoiles à neutrons de l’Hydre marque vraiment le début de l’astronomie gravitationnelle. La découverte des ondes gravitationnelles a été cette année récompensée par un prix Nobel de physique, mais on a moins parlé du fait qu’elles avaient apporté la preuve de l’existence de fusions de trous noirs. 

Désormais, les ondes gravitationnelles ne sont plus une fin en soi, elles sont, au même titre que les rayons X, l’infrarouge, l’ultraviolet, les ondes radio ou la lumière visible, un moyen pour percer de plus en plus de mystères de l’univers.

« Cette détection a ouvert les portes à une nouvelle manière de faire de l’astrophysique », confirme Laura Cadonati, professeure de physique à Georgia Tech (Etats-Unis) et porte-parole adjointe de la collaboration Ligo. « Je m’attends à ce qu’on s’en souvienne comme de l’un des événements astrophysiques les plus étudiés de l’histoire. »

Journaliste de métier et geek dans l'âme je rassemble ici mes plus grandes passions : l'écriture et la technologie.