Trous noirs et étoiles à neutrons: la dernière danse de "couples mixtes"

Publié par Redbran le 30/06/2021 à 13:00
Source: CNRS
Une nouvelle pièce vient d'être ajoutée au catalogue des phénomènes cosmiques. Annoncée par les collaborations Ligo, Virgo et Kagra, il s'agit de la première détection d'ondes gravitationnelles provenant de la fusion "mixte" entre un trou noir (En astrophysique, un trou noir est un objet massif dont le champ gravitationnel est si intense...) et une étoile (Une étoile est un objet céleste émettant de la lumière de façon autonome, semblable à une...) à neutrons. Cette découverte, publiée le 29 juin 2021 dans Astrophysical Journal Letters, implique des chercheurs et chercheuses du CNRS (Le Centre national de la recherche scientifique, plus connu sous son sigle CNRS, est le plus grand...) travaillant au sein de la collaboration scientifique (Un scientifique est une personne qui se consacre à l'étude d'une science ou des sciences et qui...) Virgo.


Vue d'artiste (Est communément appelée artiste toute personne exerçant l'un des métiers ou activités...) d'une fusion (En physique et en métallurgie, la fusion est le passage d'un corps de l'état solide vers l'état...) trou noir-étoile à neutrons.
© Carl Knox, OzGrav - Swinburne University

Quelques années ont suffi pour que l'observation (L’observation est l’action de suivi attentif des phénomènes, sans volonté de les...) des ondes (Une onde est la propagation d'une perturbation produisant sur son passage une variation réversible...) gravitationnelles fournisse un répertoire conséquent de phénomènes issus d'objets cosmiques massifs. Les détecteurs Ligo (LIGO (pour Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory) est un projet...) et Virgo ont ainsi permis d'étudier des fusions de "couples" (ou binaires) de trous noirs, pour la plupart, et parfois d'étoiles à neutrons. Mais des ondes gravitationnelles, mesurées en janvier 2020 et dont les signaux associés sont surnommés GW200105 et GW200115 selon leurs dates de détection, témoignent de l'existence de nouveaux types de systèmes. Ces signaux proviennent en effet d'un phénomène déjà théorisé, mais jusqu'alors jamais observé: la coalescence de "couples mixtes" composés chacun d'un trou noir et d'une étoile à neutrons.

Les ondes gravitationnelles contiennent des informations précieuses sur leurs origines, comme la masse (Le terme masse est utilisé pour désigner deux grandeurs attachées à un...) des éléments de la binaire. Leurs analyses ont donc permis de révéler que GW200105 provenait d'un trou noir et d'une étoile à neutrons respectivement 8,9 fois et 1,9 fois plus massifs que le Soleil (Le Soleil (Sol en latin, Helios ou Ήλιος en grec) est l'étoile...) et dont la fusion a eu lieu il y a 900 millions d'années. Le signal ( Termes généraux Un signal est un message simplifié et généralement codé. Il existe...) GW200115, quant à lui, est issu d'objets 5,7 et 1,5 fois plus massifs que notre astre et sa coalescence remonte à 1 milliard (Un milliard (1 000 000 000) est l'entier naturel qui suit neuf cent...) d'années. La différence de masse entre les éléments du système indique qu'il s'agit bien de binaires "mixtes": la masse de l'objet (De manière générale, le mot objet (du latin objectum, 1361) désigne une entité définie dans...) le plus lourd correspond effectivement à celle d'un trou noir et la masse du plus léger à celle d'une étoile à neutrons.

L'écart entre ces deux masses pourrait aussi expliquer l'absence d'observation (L’observation est l’action de suivi attentif des phénomènes, sans volonté de les...) de signaux lumineux par des télescopes. En effet, une étoile à neutrons s'approchant d'un trou noir peut théoriquement se déchirer sous l'effet de forces de marée (La marée est le mouvement montant (flux ou flot) puis descendant (reflux ou jusant) des eaux...), provoquant alors une éruption de rayonnements lumineux. Mais dans les deux cas observés, le trou noir (Le Trou noir (The Black Hole) est un film de science-fiction réalisé par Gary Nelson,...), bien plus massif (Le mot massif peut être employé comme :), pourrait avoir avalé l'étoile à neutrons en une seule bouchée, sans laisser de traces (TRACES (TRAde Control and Expert System) est un réseau vétérinaire sanitaire de...).

Plusieurs hypothèses pourraient expliquer la formation de ces binaires "mixtes". La première est celle de l'évolution d'un couple d'étoiles, en orbite (En mécanique céleste, une orbite est la trajectoire que dessine dans l'espace un corps...) l'une autour (Autour est le nom que la nomenclature aviaire en langue française (mise à jour) donne...) de l'autre, qui deviendraient à la fin de leur vie (La vie est le nom donné :) un trou noir et une étoile à neutrons encore liés. Selon une autre hypothèse, celle de l'interaction (Une interaction est un échange d'information, d'affects ou d'énergie entre deux agents au sein...) dynamique (Le mot dynamique est souvent employé désigner ou qualifier ce qui est relatif au mouvement. Il...), les deux éléments se formeraient séparément dans un milieu stellaire (Stellaria est un genre de plantes herbacées annuelles ou vivaces, les stellaires, de la...) très dense avant de se rejoindre. Ces résultats ouvrent la voie à la détection d'autres binaires "mixtes" et à l'observation et la compréhension de phénomènes extrêmes similaires.


Représentation de la masse des trous noirs et étoiles à neutrons détectés via les ondes gravitationnelles (bleu et orange) et via les observations électromagnétiques (violet et bleu). Les fusions trous noirs-étoiles à neutrons correspondant aux signaux GW200105 et GW200115 sont représentés au centre.
© LIGO-Virgo / Frank Elavsky, Aaron Geller / Northwestern

À propos des collaborations Virgo, Ligo et Kagra

La collaboration Virgo est actuellement composée d'environ 690 scientifiques de 15 pays (Pays vient du latin pagus qui désignait une subdivision territoriale et tribale d'étendue...). L'Observatoire gravitationnel européen (EGO) héberge le détecteur (Un détecteur est un dispositif technique (instrument, substance, matière) qui change...) Virgo près de Pise en Italie, et est financé par le Centre national de la recherche scientifique (La recherche scientifique désigne en premier lieu l’ensemble des actions entreprises en vue...) (CNRS) en France, l'Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (INFN) en Italie et Nikhef aux Pays-Bas. Une liste des équipes impliquées dans la collaboration Virgo est disponible sur public.virgo-gw.eu/the-virgo-collaboration.

Ligo est financé par la National Science Foundation (NSF) et géré par Caltech et le MIT, qui ont conçu Ligo et dirigé le projet (Un projet est un engagement irréversible de résultat incertain, non reproductible a...). Le financement du projet Advanced Ligo est assuré par la NSF, avec des contributions importantes de l'Allemagne (Max Planck Gesellschaft), du Royaume-Uni (Science and Technology Facilities Council) et de l'Australie (L’Australie (officiellement Commonwealth d’Australie) est un pays de...) (Australian Research Council - OzGrav). Environ 1300 scientifiques du monde (Le mot monde peut désigner :) entier sont regroupés au sein de la collaboration scientifique Ligo, qui comprend la collaboration GEO (Geo était une marque de voiture qui appartenait à General Motors. La marque est apparue en 1989...). Les autres partenaires sont recensés sur my.ligo.org/census.php (PHP (sigle de PHP: Hypertext Preprocessor), est un langage de scripts libre principalement...).

L'interféromètre laser (Un laser est un appareil émettant de la lumière (rayonnement électromagnétique)...) Kagra est situé à Kamioka, au Japon. L'institut (Un institut est une organisation permanente créée dans un certain but. C'est...) hôte est l'Institut de recherche (La recherche scientifique désigne en premier lieu l’ensemble des actions entreprises en vue...) sur les rayons cosmiques (ICRR) de l'Université (Une université est un établissement d'enseignement supérieur dont l'objectif est la...) de Tokyo, et le projet est co-animé par l'Observatoire astronomique (Un observatoire astronomique est un lieu destiné à l'observation astronomique. Les laboratoires...) national du Japon (NAOJ) et l'Organisation (Une organisation est) de recherche sur les accélérateurs de haute énergie (Dans le sens commun l'énergie désigne tout ce qui permet d'effectuer un travail, fabriquer de la...) (KEK). Sa construction s'est terminée en 2019 et la prise de données (Dans les technologies de l'information (TI), une donnée est une description élémentaire, souvent...) a débuté en février 2020 lors du dernier run, "O3b". La collaboration Kagra comprend plus de 470 membres de 14 pays/régions. La liste est disponible sur gwwiki.icrr.u-tokyo.ac.jp/JGWwiki/KAGRA/KSC/Researchers.

Bibliographie:
Observation of gravitational waves from two neutron (Le neutron est une particule subatomique de charge électrique totale nulle.) star-black hole coalescences,
The LIGO Scientific Collaboration, the Virgo Collaboration, and the KAGRA Collaboration, Astrophysical Journal Letters, le 29 juin 2021. DOI: 10.3847/2041-8213/ac082e

La collaboration Ligo-Virgo-Kagra promeut la science ouverte et rend accessible les données associées à cette observation sur le site http://www.gw-openscience.org

Contacts:
- Astrid Lamberts - Chercheuse CNRS, responsable de l'équipe ayant écrit l'article sur la détection - astrid.lamberts at oca.eu
- Matteo Barsuglia - Chercheur (Un chercheur (fem. chercheuse) désigne une personne dont le métier consiste à faire de la...) CNRS, responsable pour la France de la collaboration Virgo - barsuglia at apc.univ-paris7.fr
- Véronique Etienne - Attachée de presse CNRS - veronique.etienne at cnrs.fr
- Vincenzo Napolano - Chargé de communication (Le chargé de communication développe des actions de communication vers des publics variés en...), EGO - vincenzo.napolano at ego-gw.it
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