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Deux cas de fusions trou noir/étoile à neutrons confirmés

Crédits : SV Chaurasia; T. Dietrich

En janvier 2020, des astronomes ont indirectement “observé” la fusion d’un trou noir engloutissant une étoile morte, trahie par les ondes gravitationnelles générées lors de cette incroyable danse cosmique. Dix jours plus tard, ils ont capturé les preuves d’un second événement produit dans un secteur différent et éloigné du cosmos. C’est une première.

LIGO (deux installations aux États-Unis) et VIRGO (Italie) sont les plus grands détecteurs d’ondes gravitationnelles du monde. Ces derniers les détectent par interférométrie laser. Concrètement, deux objets très massifs qui se rapprochent dans l’espace génèrent des ondulations dans le tissu de l’espace-temps. Ces dernières traversent le cosmos en continu, atteignant parfois notre planète. Si tel est le cas, ces ondes vont alors compresser et étirer en séries alternées tout ce qu’elles touchent, dont la lumière des lasers à haute puissance séparant des miroirs spéciaux installés dans les détecteurs. Ces effets sont incroyablement subtils, mais ils trahissent effectivement le passage d’ondes gravitationnelles.

En septembre 2015, ces deux instruments ont détecté leurs premières ondulations du tissu de l’espace-temps : des signaux générés par la fusion de deux trous noirs. Depuis, d’autres événements ont été captés à mesure que s’affinait la sensibilité des instruments. Certains ont impliqué d’autres trous noirs, quand d’autres ont impliqué des étoiles à neutrons. Mais qu’en est-il des appariements de trous noirs et d’étoiles à neutrons ?

Deux événements confirmés

Les astronomes soupçonnaient depuis longtemps l’existence de tels événements, mais jusqu’à présent, les fusions impliquant ces deux types d’objets incroyablement massifs nous échappaient. Et sans preuves directes, impossible de confirmer ces intuitions. C’est désormais chose faite.

La première détection d’une étoile à neutrons fusionnant avec un trou noir a eu lieu le 5 janvier 2020. L’installation LIGO de Hanford (Washington) était temporairement hors ligne à cette époque, mais le signal a pu être détecté depuis l’installation de Livingston, en Louisiane. Le détecteur VIRGO, en Italie, a également détecté un faible signal.

Puis, dix jours plus tard, ils ont détecté un second événement du même genre produit dans un secteur différent. Le site de Hanford, cette fois opérationnel, a lui aussi repéré la fusion. «C’est la première fois que nous sommes capables de détecter une étoile à neutrons et un trou noir entrant en collision n’importe où dans l’Univers», a déclaré Patrick Brady, de l’Université du Wisconsin-Milwaukee et porte-parole de la Collaboration LIGO.

Ces “grandes premières” ont été rapportées dans un article publié mardi dans The Astrophysical Journal Letters.

De véritables poids lourds

En analysant les changements de fréquence des ondes gravitationnelles, les astrophysiciens ont pu déterminer les propriétés de ces objets entrant en collision.

Pour le premier événement, un peu plus lointain, le trou noir impliqué était entre 7,4 et 10,1 plus massif que le Soleil, et l’étoile à neutrons environ deux fois plus massive. La collision s’est produite à environ 900 millions d’années-lumière de la Terre. Le second événement a quant à lui impliqué un trou noir entre 3,6 et 7,5 fois plus massif que le Soleil, et une étoile à neutrons environ 1,5 fois plus massive.

Quant à la façon dont ces systèmes se forment en premier lieu, les chercheurs s’interrogent encore. Il est possible que ces couples binaires impliquaient jadis non deux étoiles en orbite l’une autour de l’autre avec des masses suffisantes. Au terme de leur vie, la plus massive s’est transformée en trou noir, quand l’autre a laissé derrière elle une étoile à neutrons.

Alternativement, il se pourrait également que ces étoiles à neutrons et ces trous noirs se soient formés séparément avant de finalement dériver l’une vers l’autre pour former un système binaire. Ce type de rapprochement est plus susceptible de se produire dans les amas globulaires, qui ont une densité d’étoiles beaucoup plus élevée, notent les auteurs.

Les découvertes à venir d’autres fusions devraient pouvoir éclairer les astrophysiciens sur le sujet. L’installation VIRGO essuie actuellement des mises à niveau qui augmenteront sa sensibilité. La prochaine série d’observations par LIGO et VIRGO devrait commencer au plus tôt en juin 2022.