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Posté par Adrien le Mardi 17/10/2017 à 00:00
Les télescopes de l'ESO détectent la toute première lumière issue d'une source d'ondes gravitationnelles
Plusieurs télescopes de l'ESO au Chili ont pour la première fois détecté la contrepartie visible d'une source d'ondes gravitationnelles. Ces observations historiques suggèrent que ce singulier objet résulte de la fusion de deux étoiles à neutrons. Les conséquences cataclysmiques de ce type de fusion (En physique et en métallurgie, la fusion est le passage d'un corps de l'état solide vers l'état liquide. Pour un corps pur, c’est-à-dire...) - des événements prédits de longue date et baptisés kilonovae - disséminent des éléments lourds tels que l'or et le platine (Le platine est un élément chimique de symbole Pt et de numéro atomique 78.) dans tout (Le tout compris comme ensemble de ce qui existe est souvent interprété comme le monde ou l'univers.) l'Univers (L'Univers est l'ensemble de tout ce qui existe et les lois qui le régissent.). Cette découverte a fait l'objet (De manière générale, le mot objet (du latin objectum, 1361) désigne une entité définie dans un espace à trois dimensions, qui a une fonction précise, et qui...) d'une série d'articles publiés au sein (Le sein (du latin sinus, « courbure, sinuosité, pli ») ou la poitrine dans son ensemble, constitue la région ventrale supérieure...) de revues telle Nature. Elle apporte la preuve irréfutable que les sursauts gamma de courte durée sont causés par les fusions d'étoiles à neutrons.


Les astronomes viennent, pour la toute première fois, d'observer simultanément les ondes gravitationnelles et lumineuses (rayonnement électromagnétique) produites par un seul et même événement, grâce à un effort collectif mondial et à la rapidité de réaction des installations de l'ESO et d'autres instruments disséminés à la surface (Une surface désigne généralement la couche superficielle d'un objet. Le terme a plusieurs acceptions, parfois objet géométrique, parfois frontière physique, et est souvent abusivement confondu...) du globe.

Le 17 août 2017, l'instrument LIGO (LIGO (pour Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory) est un projet d'interféromètre américain, destiné à...) (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory) de la NSF aux Etats-Unis, en collaboration avec l'interféromètre Virgo basé en Italie, a détecté le passage d'ondes gravitationnelles au travers de la Terre (La Terre est la troisième planète du Système solaire par ordre de distance croissante au Soleil, et la quatrième par taille et par masse croissantes. C'est la plus grande et la plus massive des quatre...). Cet événement, le cinquième détecté à ce jour (Le jour ou la journée est l'intervalle qui sépare le lever du coucher du Soleil ; c'est la période entre deux nuits, pendant laquelle les rayons du Soleil éclairent le ciel. Son début (par rapport à minuit heure locale) et sa durée...), fut baptisé GW170817. Quelque deux secondes plus tard, deux observatoires spatiaux, le Fermi Gamma-ray Space Telescope de la NASA (La National Aeronautics and Space Administration (« Administration nationale de l'aéronautique et de l'espace ») plus connue sous son abréviation NASA, est l'agence gouvernementale responsable du programme spatial des États-Unis...) et l'INTErnational Gamma Ray Astrophysics Laboratory (INTEGRAL) de l'ESA, ont détecté un sursaut gamma (Les sursauts gamma (en anglais, gamma-ray bursts, abrégé en GRB) sont des bouffées de photons gamma qui apparaissent aléatoirement dans le ciel. Ils sont situés à de très grandes distances de la...) court en provenance de cette même région du ciel (Le ciel est l'atmosphère de la Terre telle qu'elle est vue depuis le sol de la planète.).

Le réseau (Un réseau informatique est un ensemble d'équipements reliés entre eux pour échanger des informations. Par analogie avec un filet (un réseau est un « petit rets », c'est-à-dire un...) d'observatoires LIGO-Virgo a localisé la source dans une vaste région du ciel austral (Le mot austral (du latin australis) est un adjectif qualifiant ce qui se situe dans l'hémisphère sud.), de dimensions (Dans le sens commun, la notion de dimension renvoie à la taille ; les dimensions d'une pièce sont sa longueur, sa largeur et sa profondeur/son épaisseur, ou bien son diamètre si c'est...) équivalentes à celles de plusieurs centaines de pleines Lunes, et peuplée de millions d'étoiles (1). A la nuit tombée, de nombreux télescopes implantés au Chili ont sondé cette zone du ciel, à la recherche (La recherche scientifique désigne en premier lieu l’ensemble des actions entreprises en vue de produire et de développer les connaissances scientifiques. Par extension métonymique, la recherche...) de nouvelles sources. Parmi ces télescopes figuraient VISTA (Visible and Infrared Survey Telescope for Astronomy) et le VST (VLT Survey Telescope) installés à l'Observatoire de Paranal de l'ESO, le télescope (Un télescope, (du grec tele signifiant « loin » et skopein signifiant « regarder, voir »), est un instrument d'optique permettant d'augmenter la luminosité...) italien REM (Rapid Eye Mount) qui opère depuis l'Observatoire de La Silla de l'ESO, le télescope LCO de 0,4 mètres à l'Observatoire Las Cumbres, et l'américain DECcam à l'Observatoire Inter-américain de Cerro Tololo. Le télescope Swote d'1 mètre (Le mètre (symbole m, du grec metron, mesure) est l'unité de base de longueur du Système international (SI). Il est défini, depuis 1983, comme la distance...) fut le premier à détecter une nouvelle source de lumière (La lumière est l'ensemble des ondes électromagnétiques visibles par l'œil humain, c'est-à-dire comprises dans des longueurs d'onde de 380nm (violet) à 780nm (rouge). La lumière est intimement liée...) à proximité directe de NGC 4993, une galaxie (Une galaxie est, en cosmologie, un assemblage d'étoiles, de gaz, de poussières et de matière noire et contenant parfois un trou noir supermassif en son...) lenticulaire située dans la constellation (Une constellation est un ensemble d'étoiles dont les projections sur la voûte céleste sont suffisamment proches pour qu'une civilisation les relie par des lignes imaginaires, traçant ainsi...) de l'Hydre. Les observations (L’observation est l’action de suivi attentif des phénomènes, sans volonté de les modifier, à l’aide de moyens d’enquête et d’étude appropriés. Le plaisir procuré explique la...) menées au moyen de VISTA ont quasi-simultanément repéré cette même source à diverses longueurs d'onde (Une onde est la propagation d'une perturbation produisant sur son passage une variation réversible de propriétés physiques locales. Elle transporte de l'énergie sans transporter de matière.) infrarouges. A mesure que les régions occidentales du globe plongeaient dans l'obscurité, les télescopes hawaïens Pan-STARRS et Subaru (Subaru est un constructeur automobile japonais, né en 1956, et faisant partir du groupe Fuji Heavy Industries) l'ont à leur tour repérée et regardée évoluer rapidement.

"Rares sont les occasions pour un scientifique (Un scientifique est une personne qui se consacre à l'étude d'une science ou des sciences et qui se consacre à l'étude d'un domaine avec la rigueur et les méthodes scientifiques.) d'assister aux débuts d'une nouvelle ère (Une nouvelle ère (1/2) et Une nouvelle ère (2/2) sont des épisodes de la série télévisée Stargate Atlantis. Ce sont...)", précise Elena Pian, astronome (Un astronome est un scientifique spécialisé dans l'étude de l'astronomie.) à l'INAF, Italie, et auteur principal de l'un des articles parus au sein de la revue Nature. "En voici une !"

L'ESO a lancé l'une des plus importantes campagnes d'observations qui soit et de nombreux télescopes de l'ESO et de partenaires de l'ESO ont suivi l'objet, des semaines durant après sa détection (2). Le VLT (Very Large Telescope), le NTT (New Technology Telescope), le VST de l'ESO, le télescope MPG/ESO de 2,2 mètres et ALMA (Atacama Large Millimeter/submillimeter Array) (3) ont tous observé l'événement ainsi que ses conséquences sur une vaste gamme de longueurs d'onde (Une onde est la propagation d'une perturbation produisant sur son passage une variation réversible des propriétés physiques locales. Elle transporte de l'énergie sans transporter de matière. Une onde...). Quelques 70 observatoires disséminés dans le monde (Le mot monde peut désigner :) entier ont également observé cet événement, tel le Télescope Spatial Hubble (Le télescope spatial Hubble (en anglais, Hubble Space Telescope ou HST) est un télescope en orbite à environ 600 kilomètres d'altitude, il effectue un tour complet de la Terre toutes les 100 minutes. Il est nommé en l'honneur de...) du consortium NASA/ESA.

Les estimations de distance déduites des données (Dans les technologies de l'information (TI), une donnée est une description élémentaire, souvent codée, d'une chose, d'une transaction d'affaire, d'un événement,...) concernant les ondes gravitationnelles ainsi que d'autres observations confirment la même distance à la Terre pour GW170817 et NGC 4993 - soit environ 130 millions d'années lumière. Cette source constitue donc la source d'ondes gravitationnelles ainsi que l'une des sources de sursaut gamma les plus proches détectées à ce jour (Le jour ou la journée est l'intervalle qui sépare le lever du coucher du Soleil ; c'est la période entre deux nuits, pendant laquelle les rayons du Soleil éclairent le ciel. Son début (par...) (4).

Les oscillations de l'espace-temps (La notion d'espace-temps a été introduite au début des années 1900 et reprise notamment par Minkowski en 1908 dans un exposé mathématique sur la géométrie de...) baptisées ondes gravitationnelles résultent de masses en mouvement. Seules les plus intenses, générées par de brusques variations de vitesse (On distingue :) d'objets très massifs, peuvent à l'heure (L’heure est une unité de mesure du temps. Le mot désigne aussi la grandeur elle-même, l'instant (l'« heure qu'il...) actuelle être détectées. Parmi ces événements figure la fusion d'étoiles à neutrons, les noyaux extrêmement denses et effondrés d'étoiles de masse (Le terme masse est utilisé pour désigner deux grandeurs attachées à un corps : l'une quantifie l'inertie du corps (la masse inerte) et l'autre la contribution du corps...) élevée ayant achevé leur existence en supernovae (5). Ces fusions sont vraisemblablement à l'origine des sursauts gamma courts. Un événement de nature explosive et de luminosité (La luminosité désigne la caractéristique de ce qui émet ou réfléchit la lumière.) 1000 fois supérieure à celle d'une nova (En astronomie, une nova est une étoile qui devient très brutalement extrêmement brillante, avec une grande augmentation de son...) classique - baptisé kilonova - est en effet attendu à la suite de ce type d'événement.

Les détections quasi-simultanées d'ondes gravitationnelles et de rayons gamma en provenance de GW170817 invitent à penser que cet objet consistait vraisemblablement en une kilonova - longtemps recherchée mais encore indetectée. Les observations effectuées au moyen des installations de l'ESO ont effectivement révélé des propriétés remarquablement proches des prévisions théoriques. L'existence des kilonovae a été suggérée voici plus de trente ans. Mais il s'agit là de leur toute première détection.

Suite à la fusion des deux étoiles à neutrons, un jet d'éléments chimiques lourds radioactifs en expansion rapide a quitté la kilonova, à une vitesse proche du cinquième de la vitesse de la lumière (La vitesse de la lumière dans le vide, notée c (pour « célérité », la lumière se manifestant macroscopiquement comme un phénomène ondulatoire), est une constante...). Durant les jours qui suivirent, la couleur (La couleur est la perception subjective qu'a l'œil d'une ou plusieurs fréquences d'ondes lumineuses, avec une (ou des) amplitude(s) donnée(s).) de la kilonova est passée du bleu (Bleu (de l'ancien haut-allemand « blao » = brillant) est une des trois couleurs primaires. Sa longueur d'onde est comprise approximativement entre 446 et 520 nm. Elle varie en...) profond au rouge (La couleur rouge répond à différentes définitions, selon le système chromatique dont on fait usage.) intense. Ce changement s'est effectué en un temps (Le temps est un concept développé par l'être humain pour appréhender le changement dans le monde.) bien plus court que celui caractérisant toute autre explosion (Une explosion est la transformation rapide d'une matière en une autre matière ayant un volume plus grand, généralement sous forme de gaz. Plus cette...) stellaire (Stellaria est un genre de plantes herbacées annuelles ou vivaces, les stellaires, de la famille des Caryophyllaceae. Il comprend près de 90 espèces réparties à travers le monde.) connue.

"Lorsque le spectre est apparu sur nos écrans, j'ai compris qu'il s'agissait de l'événement transitoire le plus étrange qu'il m'ait été donné de voir", précise Stephen Smartt, qui conduisit les observations au moyen du NTT de l'ESO dans le cadre du programme d'observations étendu baptisé Sondage ( Un sondage peut désigner une technique d'exploration locale d'un milieu particulier. Un sondage peut également être une méthode statistique d'analyse d'une population...) Spectroscopique Public d'Objets Transitoires de l'ESO (ePESSTO). "Je n'avais jamais rien vu de tel. Nos données, combinées à celles acquises par d'autres équipes, démontraient sans ambiguïté aucune qu'il ne s'agissait pas d'une explosion de supernova (Une supernova est l'ensemble des phénomènes conséquents à l'explosion d'une étoile, qui s'accompagne d'une augmentation brève mais fantastiquement grande de sa...) ni d'une quelconque étoile variable (Une étoile variable est une étoile dont la luminosité varie.) située au premier plan, mais bel (Nommé en l’honneur de l'inventeur Alexandre Graham Bell, le bel est unité de mesure logarithmique du rapport entre deux puissances, connue pour exprimer la puissance du son. Grandeur sans dimension en...) et bien d'un objet tout à fait singulier."

Les spectres acquis dans le cadre du programme ePESSTO ainsi qu'au moyen de l'instrument X-shooter installé sur le VLT suggèrent la présence de césium (Le césium est un élément chimique de symbole Cs et de numéro atomique 55.) et de tellure issus de la fusion des étoiles à neutrons. Ces éléments lourds, ainsi que d'autres, produits lors de la fusion d'étoiles à neutrons, auraient été disséminés dans l'espace lors de la phase (Le mot phase peut avoir plusieurs significations, il employé dans plusieurs domaines et principalement en physique :) kilonova. Ces observations suggèrent la formation, au sein d'objets stellaires de densité (La densité ou densité relative d'un corps est le rapport de sa masse volumique à la masse volumique d'un corps pris comme référence. Le corps de référence est...) élevée, d'éléments plus lourds que le fer (Le fer est un élément chimique, de symbole Fe et de numéro atomique 26. C'est le métal de transition et le matériau ferromagnétique le...) produits lors de réactions nucléaires. Ce processus de nucléosynthèse (La nucléosynthèse est un ensemble de processus physiques conduisant à la synthèse de noyaux atomiques, par fission ou fusion nucléaire.) de type r était jusqu'à présent demeuré purement théorique.

"Les données observationnelles dont nous disposons à ce jour sont étonnamment proches de la théorie (Le mot théorie vient du mot grec theorein, qui signifie « contempler, observer, examiner ». Dans le langage courant, une théorie est une idée ou une connaissance spéculative, souvent basée...). Ce résultat est tout à la gloire (La Gloire fut le premier cuirassé de haute mer de l'histoire. Elle fut lancée en 1859 pour la marine nationale française, juste après la guerre de Crimée,...) des théoriciens. Il confirme la réalité des événements observés par LIGO-Virgo et couronne la performance réalisée par l'ESO - avoir rassemblé un si vaste ensemble (En théorie des ensembles, un ensemble désigne intuitivement une collection d’objets (les éléments de l'ensemble), « une multitude qui peut être comprise comme un...) de données relatives à la kilonova", ajoute Stefano Covino, auteur principal de l'un des articles parus au sein de la revue Nature Astronomy.

"La grande force (Le mot force peut désigner un pouvoir mécanique sur les choses, et aussi, métaphoriquement, un pouvoir de la volonté ou encore une vertu morale « cardinale » équivalent au courage (cf. les...) de l'ESO réside dans le fait de disposer d'une gamme étendue de télescopes et d'instruments mis à disposition des projets astronomiques les plus ambitieux et les plus complexes. Nous sommes entrés dans une nouvelle ère de l'astronomie (L’astronomie est la science de l’observation des astres, cherchant à expliquer leur origine, leur évolution, leurs propriétés physiques et chimiques. Elle ne doit pas être confondue avec...) multimessagers!" conclut Andrew Lean, auteur principal de l'une des publications scientifiques.

Notes

(1) Le réseau LIGO-Virgo a localisé la source dans une zone du ciel de quelque 35 degrés carrés de superficie (L'aire ou la superficie est une mesure d'une surface. Par métonymie, on désigne souvent cette mesure par le terme...).

(2) La galaxie ne pouvait être observée qu'en soirée au mois (Le mois (Du lat. mensis «mois», et anciennement au plur. «menstrues») est une période de temps arbitraire.) d'août. En septembre, elle se trouvait à trop grande proximité du Soleil (Le Soleil (Sol en latin, Helios ou Ήλιος en grec) est l'étoile centrale du système solaire. Dans la classification astronomique, c'est une étoile...) pour être observable (Dans le formalisme de la mécanique quantique, une opération de mesure (c'est-à-dire obtenir la valeur ou un intervalle de valeurs d'un paramètre physique, ou plus généralement une...).

(3) Sur le VLT, les observations furent menées au moyen des instruments suivants: le spectrographe X-shooter installé sur l'Unité Télescopique 2 (UT2), FORS2 (FOcal Reducer and low dispersion (La dispersion, en mécanique ondulatoire, est le phénomène affectant une onde dans un milieu dispersif, c'est-à-dire dans lequel les...) Spectrograph 2) et NACO (Nasmyth Adaptive Optics System (NAOS) - Near-Infrared Imager and Spectrograph (CONICA)) installés sur l'Unité Télescopique 1 (UT1) ; VIMOS (VIsible Multi-Object Spectrograph) et VISIR (VLT Imager and Spectrometer for mid-Infrared) situés sur l'Unité Télescopique 3 (UT3) ; MUSE (Multi Unit Spectroscopic Explorer) et HAWK-1 (High Acuity Wide-field K-band Imager) sur l'Unité Télescopique 4 (UT4). Le VST a effectué ses observations grâce à OmegaCAM et VISTA grâce à VIRCAM (VISTA InfraRed CAMera). Dans le cadre du programme ePESSTO, le NTT a collecté des spectres dans le visible au moyen du spectrographe EFOSC2 (ESO Faint Object Spectrograph and Camera 2) et des spectres dans l'infrarouge (Le rayonnement infrarouge (IR) est un rayonnement électromagnétique d'une longueur d'onde supérieure à celle de la lumière visible mais plus courte que celle des micro-ondes.) au moyen du spectrographe SOFI (Son of ISAAC). Le télescope MPG/ESO de 2,2 mètres a effectué ses observations au moyen de l'instrument GROND (Gamma-Ray burst Optical/Near-infrared Detector).

(4) Les observations ont été rendues possibles par la relativement faible distance - 130 millions d'années lumière - séparant la Terre des étoiles à neutrons qui ont fusionné. La fusion d'étoiles à neutrons génère des ondes gravitationnelles de moindre intensité en effet que la fusion de trous noirs, vraisemblablement à l'origine des quatre premières détections d'ondes gravitationnelles.

(5) Lorsque les étoiles à neutrons orbitent l'une autour (Autour est le nom que la nomenclature aviaire en langue française (mise à jour) donne à 31 espèces d'oiseaux qui, soit appartiennent au genre Accipiter,...) de l'autre dans un système binaire (Le système binaire est un système de numération utilisant la base 2. On nomme couramment bit (de l'anglais binary digit, soit « chiffre binaire ») les chiffres de la...), elles perdent de l'énergie (Dans le sens commun l'énergie désigne tout ce qui permet d'effectuer un travail, fabriquer de la chaleur, de la lumière, de produire un mouvement.) en émettant des ondes gravitationnelles. Elles se rapprochent l'une de l'autre jusqu'à atteindre l'ultime point (Graphie) de rencontre. Une fraction de la masse des restes stellaires se trouve alors convertie en énergie et donne lieu à un violent sursaut d'ondes gravitationnelles,  suivant la célèbre équation (En mathématiques, une équation est une égalité qui lie différentes quantités, généralement pour poser le problème de leur identité. Résoudre...) d'Einstein: E = mc².


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Source: ESO
 
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