Des observatoires à ondes gravitationnelles détectent pour la première fois des fusions rares de trous noirs avec des étoiles à neutrons

Des observatoires à ondes gravitationnelles détectent pour la première fois des fusions rares de trous noirs avec des étoiles à neutrons

Image d'une simulation de relativité numérique de la collaboration MAYA d'une fusion binaire NSBH, montrant la perturbation de l'étoile à neutrons. Crédit : Deborah Ferguson (UT Austin), Bhavesh Khamesra (Georgia Tech) et Karan Jani (Vanderbilt)

Récemment, une équipe internationale de scientifiques, dont des chercheurs du MIT, a annoncé la détection d’un nouveau type de système astrophysique : une collision entre un trou noir et une étoile à neutrons, deux des objets les plus denses et les plus exotiques de l’univers.

Les scientifiques ont détecté des signaux de collision de trous noirs et d’étoiles à neutrons, mais n’avaient jusqu’à présent pas confirmé la fusion d’un trou noir avec une étoile à neutrons. Dans une étude publiée dans The Astrophysical Journal Letters, les scientifiques rapportent avoir observé non pas un, mais deux de ces événements rares, dont chacun a émis des ondes gravitationnelles qui se sont répercutées sur une grande partie de l’univers avant d’atteindre la Terre en janvier 2020, à peine 10 jours à part.

Les ondes gravitationnelles des deux collisions ont été détectées par l’observatoire des ondes gravitationnelles de l’interféromètre laser de la National Science Foundation (LIGO) aux États-Unis et par Virgo en Italie.

Les événements sont nommés GW200105 et GW200115, pour la date à laquelle chaque onde gravitationnelle a été observée. Les deux signaux représentent les derniers instants alors qu’un trou noir et une étoile à neutrons se sont enroulés en spirale et ont fusionné.

Pour GW200105, le trou noir est estimé à environ 9 fois la masse du soleil, avec une étoile à neutrons compagne d’environ 1,9 masse solaire. On estime que les deux objets ont fusionné il y a environ 900 millions d’années.

GW200115 est le produit d’un trou noir de 6 masses solaires, qui est entré en collision avec une étoile à neutrons environ 1,5 fois la masse de notre soleil, il y a environ 1 milliard d’années. Dans les deux événements, les trous noirs étaient suffisamment gros pour probablement dévorer complètement leurs étoiles à neutrons, laissant très peu ou pas de lumière à leur suite.

Salvatore Vitale, membre de l’équipe LIGO, professeur adjoint de physique au MIT et membre de l’Institut Kavli d’astrophysique et de recherche spatiale, a parlé avec MIT News de la rareté des deux détections et de ce que les fusions de trous noirs et d’étoiles à neutrons peuvent révéler sur la évolution des étoiles dans l’univers.

: Parlez-nous de ces systèmes extrêmes et insaisissables. En général, que savait-on des collisions impliquant des trous noirs et des étoiles à neutrons avant ces détections ?

R : Les étoiles à neutrons et les trous noirs sont laissés par les étoiles massives une fois qu’elles n’ont plus de combustible nucléaire. Puisqu’une grande partie des étoiles de l’univers sont dans des systèmes binaires, on s’attendrait à l’existence de toutes les combinaisons possibles par paires : deux étoiles à neutrons, deux trous noirs, ou une étoile à neutrons et un trou noir.

Les binaires d’étoiles à neutrons sont connus depuis des décennies, découverts à l’aide de rayonnement électromagnétique. Des binaires de trous noirs ont été observés pour la première fois en 2015, avec la détection d’ondes gravitationnelles GW150914. Après cela, des détecteurs d’ondes gravitationnelles tels que LIGO et Virgo ont découvert des dizaines de trous noirs binaires et deux étoiles à neutrons binaires. Cependant, des binaires avec une étoile à neutrons et un trou noir (NSBH) n’avaient jamais été trouvés en utilisant un rayonnement électromagnétique, ni avec des ondes gravitationnelles, du moins jusqu’à présent.

Q : Que pouvez-vous dire à partir du signal sur les scénarios possibles qui auraient pu réunir ces objets en premier lieu ?

R : Malheureusement, pas grand-chose, à ce stade ! Le scénario le plus probable est que les deux objets de chaque binaire ont été ensemble toute leur vie, en tant qu’étoiles géantes. Alors qu’ils manquaient de carburant, ils ont subi de puissantes explosions appelées supernovae, laissant derrière eux une étoile à neutrons et un trou noir. Les deux objets du binaire se sont alors rapprochés de plus en plus, car ils perdent de l’énergie par émission d’ondes gravitationnelles, jusqu’à ce qu’ils entrent en collision. LIGO et Virgo ont vu les dernières secondes mener à la collision.

Théoriquement, ces fusions pourraient produire de la lumière, ce qui est extrêmement excitant ! Cependant, pour que cela se produise, il faut laisser de la matière autour du système après la collision. Malheureusement, si le trou noir est trop massif, ou s’il ne tourne pas assez vite autour de son axe, il avalera entièrement l’étoile à neutrons avant qu’elle n’ait une chance de se déchirer. Lorsque cela se produit, aucune matière n’est laissée pour compte, et donc aucune lumière. C’est ce qui aurait pu arriver avec ces deux détections d’ondes gravitationnelles.

Cependant, il est également possible que de la lumière ait en fait été émise mais n’ait pas été détectée par les télescopes qui suivaient ces systèmes. C’est parce que leur position dans le ciel – basée sur les données des ondes gravitationnelles – était plutôt incertaine, ce qui implique que les télescopes n’auraient peut-être pas eu la chance de trouver la contrepartie électromagnétique avant qu’elle ne disparaisse.

Q : Quelle est la signification globale de cette nouvelle détection ? Et quelles voies cela ouvre-t-il dans notre compréhension de l’univers ?

R : Ces deux systèmes sont importants car ils constituent la première découverte claire de binaires de trous noirs d’étoiles à neutrons, un type de source qui n’avait jamais été observée, avec des ondes électromagnétiques ou gravitationnelles. Il nous dit que ces systèmes existent mais sont plus rares que les étoiles à neutrons binaires. Avec seulement deux sources, les chiffres sont encore très incertains, mais grosso modo : pour 10 binaires d’étoiles à neutrons, il y a une fusion NSBH.

Le taux de fusion que nous avons calculé à l’aide de ces deux signaux, et les propriétés des objets compacts, seront d’une grande aide pour les astronomes et les modélisateurs essayant de comprendre la formation et l’évolution des NSBH.

En fait, comme aucun n’avait jamais été observé auparavant, il n’y avait pas de bon moyen d’affiner les modèles théoriques et numériques. Ces modèles sont compliqués et dépendent de nombreux paramètres physiques du système binaire, ainsi que de son histoire. Par exemple : quelle est la violence de l’explosion de la supernova qui laisse derrière elle des étoiles à neutrons et des trous noirs ? Est-il si puissant qu’il peut détruire complètement le système binaire ?

Enfin, avoir accès aux fusions NSBH permettra d’affiner ces modèles, et donc notre compréhension de la formation et de l’évolution des objets compacts.

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