Pour la première fois, la fusion de deux étoiles à neutrons est observée. Pour la première fois aussi, un événement cosmique est observé à la fois en ondes gravitationnelles et en lumière. Résultat spéctaculaire.

LIGO aux USA et Virgo en Europe annoncent un succès fantastique pour les ondes gravitationnelles : la détection d'ondes gravitationnelles provenant d’une collision spectaculaire de deux étoiles à neutrons. Le signal enregistré est le plus intense jamais observé, grâce à la distance relativement faible de 130 Millions d'années lumière de cette collision. L'événement a été baptisé GW170817, les 6 chiffres désignant l'année, le mois et le jour de l'observation. Il est annoncé en 16 octobre 2017, deux très courts mois ayant servi à exploiter les données de LIGO et Virgo, vérifier les résultats et écrire les articles scientifiques.

Cette détection constitue aussi un moment historique en astronomie,  pour une autre raison : c'est la première fois  qu’un événement cosmique est observé à la fois en ondes gravitationnelles et en lumière : quelque 70 observatoires au sol ou spatiaux ont pu, pour la première fois, étudier un tel événement dans leur différentes gammes de radiations, grâce à la localisation suffisamment précise fournie par le réseau LIGO-Virgo qui a lancé l'alerte.

 Les étoiles à neutrons sont les étoiles les plus petites et les plus denses que l’on connaisse. Elles sont formées lorsque les étoiles massives explosent en supernova. Les deux étoiles à neutrons observées spiralaient l’une vers l’autre en émettant des ondes gravitationnelles. Ces ondes ont été détectables pendant environ 100 secondes avant la collision. Lors de la collision, à plus de 100 000 kilomètres par seconde,  un flash de lumière gamma a été émis, aperçu depuis la Terre moins de deux secondes après l'instant de la fusion capté par les ondes gravitationnelles. Dans les jours et les semaines suivantes d’autres rayonnements lumineux ont été détectés, des rayons X, ultraviolets, de la lumière visible, des rayons infrarouges et des ondes radio.

  • Les observations ont fourni aux astronomes la possibilité sans précédent aucun d'étudier la collision de deux étoiles à neutrons. A titre d’exemple, les observations effectuées par l’observatoire américain Gemini, le Very Large Télescope Européen  et le télescope spatial Hubble ont révélé la signature d’atomes récemment synthétisés. Un mystère vieux de plusieurs dizaines d’années se trouve ainsi résolu, celui du site de fabrication d’environ la moitié des éléments chimiques plus lourds que le fer, comme l'or, le platine ou l'uranium.
  • Ces observations ont aussi permis de déterminer la vitesse d'expansion de l'Univers en se servant des ondes gravitationnelles et de la localisation précise de la galaxie hôte de la source, ce qui constitue une méthode nouvelle de mesure de l'expansion dont les résultats sont indépendants de ceux obtenus précédemment par le satellite européen Planck ou grâce aux Supernovae de type 1a.
  • L'observation des ondes gravitationnelles et électromagnétiques produites par cet événement a aussi montré de manière convaincante que les ondes gravitationnelles voyagent à la même vitesse que la lumière.
  • L'événement a aussi d'autres conséquences en astrophysique, en physique nucléaire et en physique fondamentale qui seront publiés dans les mois et années à venir.

Les résultats de LIGO et Virgo sont publiés dans le journal Physical Review Letters ; des articles supplémentaires ont déjà été soumis à d’autres journaux par les collaborations LIGO et Virgo et la communauté des astronomes, dont certains sont déjà acceptés (liste incomplète  ci-dessous).

GW170817, une collision d'étoiles à neutrons très observée

 GW170817 est la première collision d'étoiles à neutrons jamais observée en ondes gravitationnelles et en ondes électromagnétiqiue - comme la lumière visible, infrarouge, londes radio ou rayons gamma -, grâce à la localisation de la source suffisamment précise fournie par le réseau LIGO-Virgo

Localisation de la source

La figure ci-dessous montre la localisation de la source d'ondes gravitationnelles GW170817 obtenue en ondes gravitationnelles, en rayons gamma et en lumière visible. Le panneau de gauche montre la projection des régions où se trouve la source avec un degré de confiance de 90 % selon LIGO (vert clair), selon le réseau LIGO-Virgo (vert foncé),par triangulation entre temps d'arrivée des signaux de Fermi et INTEGRAL (bleu clair), et selon  le Gamma-ray Burst Monitor (un détecteur de rayons gamma) à bord du satellite Fermi  (bleu foncé). La précision de la localisation est l'élément clé de la détection qui permet à toutes les autres collaborations d'astronomes de pointer leur instrument, vers un événement qui sinon serait passé inaperçu faute de savoir où regarder.

Les deux images en noir et blanc à droite montrent les photos de la région du ciel  de la constellationde l'Hydre d'où viennent les signaux observés gravitationels et  électromagnétiques. On y voit la position apparente de la galaxie NGC 4993 dans l'image obtenue par Swope 10,9 heures après la fusion (en haut à droite) et l'image obtenue par DLT40 20,5 jours avant la fusion (en bas à droite). La différence entre les deux est un nouveau point lumineux, près des deux tirets noirs du réticule, une étoile qui est devenue très brillante de façon soudaine. Sa luminosité a culminé à 200 millions de fois celle du Soleil.

 

 

l'animation suivante montre que chaque détecteur d'onde gravitionnelle possède des zones aveugles (trois). Le signal laissé dans Virgo étant anormalement bas, la source devait être localisée prés d'une zone aveugle, ce qui n'a pas empèché de la localiser avec précision.

Le temps d'arrivée des signaux

Les figures ci-dessous montre la séquence des événements établie grâce à la détection  des ondes gravitationnelles GW170817  et du sursaut gamma GRB 170817A. Le panneau du haut montre la courbe de lumière gamma enregistrée par le Gamma-ray Burst Monitor du satellite Fermi obtenue pour des énergies de photons comprises entre 10 and 50 keV, regroupés en périodes de 100 ms. Les signaux parasites forment un bruit de fond moyen dessiné en rouge.  Le second tableau montre la même chose pour des énergies plus grandes comprises entre 50 et 300 keV. Le troisième panneau montre le signal détecté par l'instrument SPI-ACS du satellite INTEGRAL entre 100 keV et plus de 80 MeV. Le panneau en bas représente la fréquence des signaux détectés en fonction du temps,  en additionnant les signaux obtenus à LIGO-Hanford et LIGO-Livingston, au moment de de GW170817. La forme du signal indique une fréquence croissance, selon une forme typique en "chirp". On voit que l'instant de la fusion (trait noir) des deux étoiles à neutrons arrive un peu moins de deux secondes avant l'arrivée d'un bref afflux de rayons gamma (trait gris).

 

 

Simulation de GW170817, coalescence de deux étoiles à neutrons

 

 Description du film :

 La video ci dessus montre une simulation numérique représentant la coalescence de deux étoiles à neutrons se terminant en fusion, comme celle à l'origine des ondes gravitationnelles GW170817 et du sursaut gamma GRB 170817A. Les deux étoiles à neutrons sans spin (c'est à dire ne tournant pas sur elles-mêmes) montrées dans cette animation ont des masses de 1,528 et 1,222 masses solaires et obéissent à l'équation d'état de la matière nucléaire dénommée ALF2. Les paramètres utilisés (masse totale, rapport des masses, spin et équation d'état) sont compatibles avec la détection du 17 août 2017 par le réseau de détecteurs LIGO-Virgo. Alors que seul le signal gravitationnel émis pendant la phase spiralante a été détecté, les observations de la contrepartie électromagnétique, en particulier de la "kilonova" - un type d'étoile comme les supernovae  mais moins lumineux - et du sursaut gamma, suggèrent une évolution compliquée de l'astre rémanent - astre résultat de la fusion - avec une phase  transitoire éventuelle d'étoile à neutrons hypermassive ou supramassive, puis seulement ensuite, après ralentissement des mouvements,  formation d'un trou noir, comme cela est montré dans l'animation.

 Crédits : Numerical Relativity Simulation: T. Dietrich (Max Planck Institute for Gravitational Physics) and the BAM collaboration -  Scientific Visualization : T. Dietrich, S. Ossokine, H. Pfeiffer, A. Buonanno (Max Planck Institute for Gravitational Physics)


Plus d'infomations - plus détaillées et en français - sur l'événement, ici :
http://public.virgo-gw.eu/gw170817_fr


MIse à disposition des données 

Les données prises par LIGO et VIrgo concernant GW170817 sont mises à disposition du public en accès libre ici :
URL: https://losc.ligo.org/events/GW170817/
DOI: https://doi.org/10.7935/K5B8566F

Afin de pouvoir les analyser et peut être y découvrir d'autres indices intéressants, le LIGO Open Science Center met aussi à la disposition du public ses outils de traitement des données  et leurs manuels d'utilisation.


Liste des articles

Article de tête
* GW170817: Observation of Gravitational Waves from a Binary Neutron Star Inspiral (open access), Publié dans Phys. Rev. Lett. 119, 161101 (2017)

Articles en lien
* Multi-Messenger Observations of a Binary Neutron Star Merger, Publié dans Astrophys. J. Lett. et accessible ici  https://dcc.ligo.org/LIGO-P1700294/public/main
* Gravitational Waves and Gamma-Rays from a Binary Neutron Star Merger: GW170817 and GRB170817A (open access), Publié dans Astrophys. J. Lett.
* A Gravitational-Wave Standard Siren Measurement of the Hubble Constant, Publié dans Nature [https://doi.org/10.1038/nature24471] et accessible ici https://dcc.ligo.org/LIGO-P1700296/public/main
* GW170817: Implications for the Stochastic Gravitational-Wave Background from Compact Binary Coalescences, accepté par Phys. Rev. Lett. et accessible ici [https://dcc.ligo.org/LIGO-P1700272/public/main]
* On the Progenitor of Binary Neutron Star Merger GW170817, Publié dans  Astrophys. J. Lett. et accessible ici : [https://arxiv.org/abs/1710.05838]
* Estimating the Contribution of Dynamical Ejecta in the Kilonova Associated with GW170817
publié dans Astrophys. J. Lett. et accessible ici [https://dcc.ligo.org/LIGO-P1700309/public/main]
* Search for High-energy Neutrinos from Binary Neutron Star Merger GW170817 with ANTARES, IceCube, and the Pierre Auger Observatory (authored by the ANTARES, IceCube, Pierre Auger, LIGO Scientific, and Virgo Collaborations), accepté par Astrophys. J. Lett. et accessible ici [https://dcc.ligo.org/LIGO-P1700344/public/main]

* Search for post-merger gravitational waves from the remnant of the binary neutron star merger GW170817, The LIGO Scientific Collaboration and The Virgo Collaboration, soumis à Astrophys. J. Lett,  https://arxiv.org/pdf/1710.09320v1.pdfhttps://arxiv.org/pdf/1710.09320v1.pdf


 

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