Astronomie multimessager avec les ondes gravitationnelles
Une étoile à neutrons est un objet extrêmement dense et compact qui subsiste après l’effondrement d’une étoile massive. Ces objets ont une masse d’environ 1,4 fois celle du Soleil, mais un rayon de l’ordre de 10 kilomètres seulement. Une cuillère à café de matière provenant d’une étoile à neutrons pèserait environ un milliard de tonnes, soit plus que le poids de tous les êtres humains sur Terre. Lorsque deux étoiles à neutrons gravitent l’une autour de l’autre dans un système binaire et vont fusionner, elles émettent des ondes gravitationnelles qui peuvent être détectées depuis la Terre. Cependant, ce n’est pas le seul signal qui peut être détecté lors d’un tel événement.
Le 17 août 2017, à 14:41:04 CEST, les détecteurs LIGO et Virgo ont détecté un signal d’ondes gravitationnelles, nommé GW170817, qui correspond à la fusion de deux étoiles à neutrons. À peine 1,7 seconde plus tard, les satellites Fermi et Integral ont détecté de manière indépendante un sursaut gamma, appelé GRB170817A. Le lien potentiel entre ces deux événements a alerté les astronomes sur la possibilité de trouver d’autres émissions électromagnétiques provenant de l’étoile binaire à neutrons.
Grâce au réseau des trois détecteurs d’ondes gravitationnelles, l’événement a été localisé dans une petite zone du ciel de la constellation de l’Hydre, à environ 130 millions d’années-lumière de la Terre. Une campagne d’observation impliquant plus de 70 télescopes à travers le spectre électromagnétique a ensuite été lancée. Moins de 11 heures après la fusion des deux étoiles à neutrons, le télescope Swope au Chili a détecté une source ponctuelle lumineuse dans la galaxie NGC 4993, qui a ensuite été observée indépendamment par d’autres télescopes dans l’infrarouge et l’ultraviolet. Ce signal correspondait à une kilonova, marquant ainsi la première détection fiable de ce type de phénomène. Par la suite, des émissions de rayons X et de radio ont été détectées, provenant d’un processus physique différent du précédent, et ont été attribuées à la rémanence du GRB170817A. C’était la première fois dans l’histoire de l’astronomie qu’un événement était observé par le biais de différents « messagers », dont les ondes gravitationnelles. Cela a marqué la naissance d’une nouvelle ère de l’astronomie, l’astronomie multimessager avec les ondes gravitationnelles.
En outre, la découverte de GW170817 a eu des répercussions fondamentales en physique et en astronomie. Elle a permis de relier définitivement les sursauts gamma courts et la fusion d’étoiles à neutrons. Il a également été possible d’observer la production de métaux lourds tels que l’or, ce qui confirme que ces événements peuvent avoir un impact significatif sur l’enrichissement en métaux de notre univers. La détection de cet événement fournit également des informations sur l’équation d’état des étoiles à neutrons, c’est-à-dire la relation entre la pression et la densité. Elle permet ainsi de contraindre l’équation d’état de la matière à densité supranucléaire. Enfin, l’observation conjointe d’ondes gravitationnelles et de signaux électromagnétiques a permis une nouvelle mesure de la constante de Hubble, une estimation du taux d’expansion de l’univers.
L’observation d’autres sources comme GW170817 est essentielle pour approfondir les conséquences importantes de cette découverte, mais il s’agit du seul événement multi-messager détecté jusqu’à présent. En fait, les observations conjointes d’étoiles binaires à neutrons ne sont pas fréquentes. Ces fusions sont en effet plus rares que les trous noirs binaires et la localisation de la source dans le ciel est souvent mal connue, ce qui rend cette observation particulièrement complexe, étant donné la nature transitoire de l’émission électromagnétique. Une collaboration étroite et un travail d’équipe entre les communautés scientifiques gravitationnelle et électromagnétique sont essentiels pour ouvrir la voie à l’astronomie multimessager et poursuivre l’incroyable révolution qui a commencé avec GW170817.