16 Octobre 2017

Fusion d'étoiles à neutrons, sursaut gamma et... onde gravitationnelle

Première détection simultanée par LIGO-VIRGO, INTEGRAL et FERMI d’une onde gravitationnelle issue de la fusion d’étoiles à neutrons

Pour la première fois, une onde gravitationnelle (GW170817) a été détectée simultanément (à 2 secondes près) avec une émission de photons sous la forme d’un sursaut gamma de courte durée (GRB170817A).

L’onde gravitationnelle a été détectée par les détecteurs américain LIGO et européen VIRGO, le sursaut gamma par le Gamma-ray Burst Monitor (GBM) du satellite FERMI et par le spectromètre SPI sur la mission INTEGRAL. Le spectromètre SPI d’Integral a été construit par le CNES en partenariat avec le CNRS et le CEA. Le CNES soutient les équipes françaises du CNRS et du CEA qui jouent un rôle essentiel dans l’analyse des données de Fermi.

Ces détections indépendantes permettent d’identifier cet évènement comme la coalescence  de deux étoiles à neutrons.

La découverte est d’une importance majeure pour la physique fondamentale et l’astrophysique. Elle a permis d’associer une onde gravitationnelle avec un « objet astrophysique ».

Collision d'étoiles à neutrons

Vue d'artiste : Collision de 2 étoiles à neutrons - Crédits : Dana Berry, SkyWorks Digital, Inc.

Collusion et fusion de 2 étoiles à neutrons
Crédits : Dana Berry, SkyWorks Digital, Inc.

Elle confirme que les sursauts  gamma courts, détectés depuis plusieurs décennies mais dont l’origine restait hypothétique, peuvent être produits lors de coalescences d’étoiles à neutrons.

En outre, cette détection « simultanée » permet de mesurer, pour la première fois, la vitesse de propagation de l’onde gravitationnelle, donnant une valeur très proche de celle de la lumière. Enfin, elle apporte de nouvelles contraintes sur le principe d’invariance de Lorentz et le principe d’équivalence. Tous deux sont des tests cruciaux pour la théorie de la Relativité Générale.

Dans un second temps, ces détections  concordantes ont déclenché  des campagnes d’observations dans tous les domaines de longueurs d’onde. L’objet résultant a été tout d’abord identifié en optique, infrarouge, ultra-violet, puis, quelques jours plus tard, en rayons X et enfin en radio.

Ces émissions « différées » proviennent d’une « kilonova » (similaire à une petite supernova). Elles sont dues à la dissipation de l’énergie libérée pendant cet événement extrêmement violent et témoignent des processus qui en découlent (décroissance radioactive d’éléments lourds créés pendant ou juste après la fusion, accélération de particules sous forme de jet, interaction avec le milieu environnant…).  

Pour la première fois, les  physiciens et astrophysiciens ont des observations déterminantes pour la compréhension, à la fois, des étapes suivant la coalescence de deux étoiles à neutrons (quel objet est créé ? que devient-il ?), des mécanismes de production des sursauts gamma courts et de la connexion de ces deux phénomènes.

Les observatoires spatiaux jouent un rôle essentiel : l’atmosphère de notre planète est  totalement opaque au rayonnement X et Gamma. Les détecteurs de photons X ou Gamma sont donc embarqués à bord de satellites. L’évènement du 17 août a été détecté par l’un des systèmes de détection de l’instrument SPI du satellite INTEGRAL, ainsi que par le satellite FERMI.

L’avenir des détecteurs d’ondes gravitationnelles passera lui aussi par les moyens spatiaux : la mission LISA de l’ESA est prévue pour un lancement en 2034. Libérée des bruits d’origine terrestres, LISA ouvrira la voie à l’étude de phénomènes géants encore inexplorés, tels que la fusion de galaxies.

Beaucoup plus proche, la mission SVOM développée en collaboration par le CNES et l’agence spatiale chinoise CNSA sera l’un des fers de lance pour la détection et le suivi dès les premières secondes des phénomènes du type GW170817/GRB170817A). Cet évènement, bien que particulièrement sous-lumineux pour ce type de sursauts gamma, aurait par exemple été clairement détecté et suivi par SVOM.

Collision étoiles à neutrons

Vue d'artiste ; Collision de 2 étoiles à neutrons - Crédit : Futura-Sciences

Pour en savoir plus

Sources

Article rédigé par Olivier La Marle, responsable du programme Astronomie et Astrophysique du CNES, olivier.Lamarle at cnes.fr d'après Jean-Pierre Roques, IRAP (CNRS/Université Paul Sabatier-Toulouse III), jean-pierre.roques@irap.omp.eu