Virgo et LIGO détectent la fusion d'un astre compact énigmatique avec un trou noir

Publié par Redbran le 25/06/2020 à 13:00
Source: CNRS IN2P3
Les collaborations Virgo et LIGO annoncent la découverte d'un astre compact pesant environ 2,6 fois la masse du Soleil, ce qui le place entre l'étoile à neutrons la plus lourde et le trou noir le plus léger connus. Il y a environ 800 millions d'années, cet astre a fusionné avec un trou noir de 23 masses solaires et cet événement a produit une onde gravitationnelle (Dans le cadre de la relativité générale les ondes gravitationnelles sont définies comme les perturbations de la métrique qui du point de vue des équations...) puissante. L'observation (L’observation est l’action de suivi attentif des phénomènes, sans volonté de les modifier, à l’aide de moyens d’enquête et d’étude appropriés. Le plaisir procuré explique la très grande...) de ce signal ( Termes généraux Un signal est un message simplifié et généralement codé. Il existe sous forme d'objets ayant des formes particulières. Les signaux lumineux sont employés depuis la nuit des...) seul - détecté sur Terre (La Terre est la troisième planète du Système solaire par ordre de distance croissante au Soleil, et la quatrième par taille et par masse croissantes. C'est la plus grande et la...) en août 2019 - ne permet pas de déterminer la nature de l'astre compact léger (trou noir ou étoile (Une étoile est un objet céleste émettant de la lumière de façon autonome, semblable à une énorme boule de plasma comme le Soleil, qui est l'étoile la plus proche de la Terre.) à neutrons), laquelle reste donc énigmatique.

Longtemps les scientifiques ont été intrigués par l'absence d'observations d'astres compacts dans une gamme de masse (Le terme masse est utilisé pour désigner deux grandeurs attachées à un corps : l'une quantifie l'inertie du corps (la masse inerte)...) allant de 2,5 à 5 masses solaires. Cette région mystérieuse est connue sous le nom anglais de "mass gap" (qu'on pourrait traduire par "lacune dans la distribution de masses"), un intervalle de masses qui semblent trop légères pour un trou noir et trop lourdes pour une étoile à neutrons. Ces deux types d'astres se forment lorsque des étoiles très massives en fin de vie (La vie est le nom donné :) explosent en supernova (Une supernova est l'ensemble des phénomènes conséquents à l'explosion d'une étoile, qui s'accompagne d'une augmentation brève mais fantastiquement grande de sa...) après avoir épuisé leur combustible (Un combustible est une matière qui, en présence d'oxygène et d'énergie, peut se combiner à l'oxygène (qui sert de comburant) dans une...) nucléaire (Le terme d'énergie nucléaire recouvre deux sens selon le contexte :). Ce qui reste à la fin du processus dépend du noyau de l'étoile: les noyaux les plus légers produisent plutôt des étoiles à neutrons tandis que les plus lourds s'effondrent en trous noirs. Comprendre si ce mass gap est réel et, dans l'affirmative, pourquoi il se situe dans cette gamme de masses, sont des questions posées depuis longtemps à la communauté scientifique (Un scientifique est une personne qui se consacre à l'étude d'une science ou des sciences et qui se consacre à l'étude d'un domaine avec la rigueur et les méthodes...).

Un astre compact d'environ 2,6 masses solaires

Aujourd'hui les collaborations scientifiques Virgo et LIGO (LIGO (pour Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory) est un projet d'interféromètre américain, destiné à détecter les ondes gravitationnelles.) qui exploitent le détecteur (Un détecteur est un dispositif technique (instrument, substance, matière) qui change d'état en présence de l'élément ou de la situation pour lequel il a été...) Advanced Virgo à l'European Gravitational Observatory (EGO) près de Pise en Italie et les deux détecteurs Advanced LIGO aux Etats-Unis ont annoncé la découverte d'un astre compact dont la masse, environ 2,6 masses solaires, le place à l'intérieur du mass gap, ce qui remet en cause l'existence de ce dernier. La nature de cet astre reste énigmatique car les ondes gravitationnelles observées ne sont pas suffisantes pour privilégier l'une ou l'autre des deux possibilités: trou noir ou étoile à neutrons. Il y a environ 800 millions d'années, cet objet (De manière générale, le mot objet (du latin objectum, 1361) désigne une entité définie dans un espace à trois dimensions, qui a une fonction précise, et qui peut être désigné par une...) a fusionné avec un trou noir de 23 masses solaires pour produire au final un trou noir d'environ 25 masses solaires. Lors de cette fusion (En physique et en métallurgie, la fusion est le passage d'un corps de l'état solide vers l'état liquide. Pour un corps pur, c’est-à-dire pour une substance constituée...), une onde (Une onde est la propagation d'une perturbation produisant sur son passage une variation réversible de propriétés physiques locales. Elle transporte de l'énergie sans transporter de matière.) gravitationnelle intense a été émise: elle a été détectée le 14 août 2019 par les trois instruments du réseau (Un réseau informatique est un ensemble d'équipements reliés entre eux pour échanger des informations. Par analogie avec un filet (un réseau est un « petit rets »,...) LIGO-Virgo, d'où son nom, GW190814. Cette découverte vient d'être publiée dans la revue scientifique The Astrophysical Journal Letters.

"Une fois encore, les observations d'ondes gravitationnelles nous amènent en terre inconnue. L'astre le plus léger de ce système a une masse encore jamais observée", observe Giovanni Losurdo, de l'Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (INFN, Italie), le porte-parole de la Collaboration Virgo. "Une nouvelle découverte et qui pose de nouvelles questions. Quelle est la nature de cet astre ? Comment un tel système binaire (Le système binaire est un système de numération utilisant la base 2. On nomme couramment bit (de l'anglais binary digit, soit « chiffre binaire ») les chiffres de la numération binaire. Ceux ci ne peuvent prendre que deux...) s'est-il formé ? Virgo, LIGO et, bientôt, KAGRA au Japon, continueront à chercher les réponses et à repousser les limites de ce que nous savons sur notre Univers (L'Univers est l'ensemble de tout ce qui existe et les lois qui le régissent.)."

Un écart de masse d'un facteur 9 entre les deux astres

Une autre particularité de cet événement est le rapport des masses des deux astres qui composent ce système: c'est le plus élevé mesuré à ce jour (Le jour ou la journée est l'intervalle qui sépare le lever du coucher du Soleil ; c'est la période entre deux nuits, pendant laquelle les rayons du...), avec un écart d'un facteur 9 entre l'astre le plus lourd et le plus léger.

"La détection de ces nouveaux types d'événements contribue à pousser nos modèles et nos outils d'analyse des données (L’analyse des données est un sous domaine des statistiques qui se préoccupe de la description de données conjointes. On cherche par ces méthodes à donner...) à leurs limites", précise Ed Porter, chercheur (Un chercheur (fem. chercheuse) désigne une personne dont le métier consiste à faire de la recherche. Il est difficile de bien cerner le métier de chercheur tant les domaines de...) CNRS (Le Centre national de la recherche scientifique, plus connu sous son sigle CNRS, est le plus grand organisme de recherche scientifique public français (EPST).) au sein de la Collaboration Virgo et co-responsable du groupe d'analyse commun à LIGO-Virgo en charge (La charge utile (payload en anglais ; la charge payante) représente ce qui est effectivement transporté par un moyen de transport donné, et qui donne lieu à un paiement ou un bénéfice non pécuniaire pour être...) de l'étude des fusions de systèmes binaires compacts. "Même s'il reste beaucoup de choses que nous ignorons à propos de cette source, le fait que nous observions des systèmes atypiques comme GW190814 pour la première fois dans l'histoire des sciences (L'histoire des sciences est l’étude de l'évolution de la connaissance scientifique. La science, en tant que corpus de connaissances mais également comme manière d'aborder et de comprendre le monde,...) est ce qui rend l'astronomie (L’astronomie est la science de l’observation des astres, cherchant à expliquer leur origine, leur évolution, leurs propriétés physiques et chimiques. Elle ne...) en ondes gravitationnelles aussi passionnante."

Le signal associé à cette fusion inhabituelle a été clairement détecté par les trois instruments du réseau LIGO-Virgo, avec un rapport signal-à-bruit global très élevé, de l'ordre de 25. Grâce principalement au délai (Un délai est d'après le Wiktionnaire, « un temps accordé pour faire une chose, ou à l’expiration duquel on sera tenu de faire...) entre les temps (Le temps est un concept développé par l'être humain pour appréhender le changement dans le monde.) d'arrivée des signaux dans les détecteurs, qui sont séparés par plusieurs milliers de kilomètres (Le mètre (symbole m, du grec metron, mesure) est l'unité de base de longueur du Système international. Il est défini comme la distance parcourue par la lumière dans le vide en 1/299 792 458...) (les deux instruments Advanced LIGO sont aux Etats-Unis, Advanced Virgo est en Italie), le réseau a été capable de localiser la source de GW190814 dans une zone d'environ 19 degrés carrés dans le ciel (Le ciel est l'atmosphère de la Terre telle qu'elle est vue depuis le sol de la planète.).

Aucune contrepartie électromagnétique détectée

Lorsque les scientifiques de LIGO et de Virgo ont détecté ce signal en temps réel, ils ont immédiatement envoyé une alerte destinée à la communauté des astronomes. De nombreux télescopes, au sol comme dans l'espace, ont réalisé des observations de suivi et cherché une émission lumineuse ou d'autres ondes électromagnétiques. Sans succès à ce jour: aucun de ces instruments n'a détecté de signal, contrairement au cas de la fameuse fusion de deux étoiles à neutrons en août 2017, laquelle avait marqué la naissance de l'astronomie multi-messagers avec ondes gravitationnelles.

D'après les deux collaborations, plusieurs raisons peuvent expliquer le fait qu'aucune contrepartie électromagnétique n'ait été observée. Tout (Le tout compris comme ensemble de ce qui existe est souvent interprété comme le monde ou l'univers.) d'abord, la source est 6 fois plus lointaine que celle de GW170817, ce qui complique la recherche (La recherche scientifique désigne en premier lieu l’ensemble des actions entreprises en vue de produire et de développer les connaissances scientifiques. Par extension métonymique, la recherche scientifique...) de signaux lumineux. De plus, si le système était composé de deux trous noirs, sa fusion n'a probablement pas émis de lumière (La lumière est l'ensemble des ondes électromagnétiques visibles par l'œil humain, c'est-à-dire comprises dans des longueurs d'onde de 380nm (violet) à 780nm (rouge). La lumière est intimement liée...). Enfin, si l'astre compact léger était une étoile à neutrons, son trou noir partenaire 9 fois plus massif (Le mot massif peut être employé comme :) pourrait l'avoir avalée entier. Un tel "gobage" d'une étoile à neutrons par un trou noir ne produirait pas non plus de lumière. "Cela me fait penser à Pac-Man avalant une pac-gomme", renchérit Vicky Kalogera, membre de la Collaboration LIGO et professeure à la Northwestern University. "Quand les masses du système sont très asymétriques, le trou noir (Le Trou noir (The Black Hole) est un film de science-fiction réalisé par Gary Nelson, produit par la Walt Disney Pictures et sorti en 1979. L'histoire est inspiré du roman Vingt...) peut ne faire qu'une bouchée de la petite étoile à neutrons."


Graphe montrant les astres (ici représentés en bleu (Bleu (de l'ancien haut-allemand « blao » = brillant) est une des trois couleurs primaires. Sa longueur d'onde est comprise approximativement entre 446 et 520...) pour les trous noirs et en orange pour les étoiles à neutrons) impliqués dans les fusion observées par les observatoires d'ondes gravitationnelles. On remarque la position atypique du petit astre entre 2 et 5 masses solaires, ainsi que la grande différence de masse avec le trou noir qui l'a avalé.
Image LIGO-Virgo/ Frank Elavsky & Aaron Geller (Northwestern)

Un tel système est un défi pour les modèles

La nature de l'astre compact détecté le 14 août 2019 reste donc inconnue. "C'est difficile d'expliquer la formation d'un tel système. Cette combinaison (Une combinaison peut être :) particulière du rapport de masses et des masses elles-mêmes est un défi pour tous les modèles astrophysiques" complète Mario Spera, membre du groupe Virgo de l'Université (Une université est un établissement d'enseignement supérieur dont l'objectif est la production du savoir (recherche), sa conservation et sa...) de Padoue et en ce moment à la Northwestern University. "Néanmoins, nous suspectons que certains environnements, comme les jeunes amas denses ou les noyaux actifs de galaxie (Une galaxie est, en cosmologie, un assemblage d'étoiles, de gaz, de poussières et de matière noire et contenant parfois un trou noir supermassif en son centre.) pourraient permettre la formation de tels systèmes avec des rapports de masses aussi extrêmes. Néanmoins, ce qui est sûr à ce jour est que l'Univers continue à nous dire avec insistance que nous ignorons la majeure partie de l'histoire en ce qui concerne la formation et l'évolution des astres compacts et que nous allons vraisemblablement devoir modifier certaines de nos idées actuelles sur le sujet."

De futures observations faites par Virgo, LIGO ou des télescopes permettront peut-être de détecter des événements similaires et nous aideront alors à répondre à certaines des nombreuses questions que la découverte de GW190814 suscite.

A propos des observatoires d'ondes gravitationnelles


La Collaboration Virgo compte actuellement environ 550 membres, issues de 106 laboratoires dans 12 pays (Pays vient du latin pagus qui désignait une subdivision territoriale et tribale d'étendue restreinte (de l'ordre de quelques centaines de km²), subdivision de la civitas gallo-romaine. Comme la civitas qui subsiste le plus souvent sous forme...) différents, dont l'Allemagne, la Belgique, l'Espagne, la France, la Hongrie, l'Irlande, l'Italie, les Pays-Bas, la Pologne et le Portugal. Le European Gravitational Observatory (EGO), situé à Cascina près de Pise en Italie, est le laboratoire d'accueil du détecteur Virgo: il est financé par le Centre National de la Recherche Scientifique (La recherche scientifique désigne en premier lieu l’ensemble des actions entreprises en vue de produire et de développer les connaissances scientifiques. Par extension métonymique, la...) (CNRS) en France, l'Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (INFN) en Italie et Nikhef aux Pays-Bas. La liste des groupes membres de la Collaboration Virgo est disponible à l'adresse (Les adresses forment une notion importante en communication, elles permettent à une entité de s'adresser à une autre parmi un ensemble d'entités. Pour qu'il...) http://public.virgo-gw.eu/the-virgo-collaboration. Pour des informations supplémentaires, voir le site internet (Internet est le réseau informatique mondial qui rend accessibles au public des services variés comme le courrier électronique, la messagerie instantanée et le World...) de Virgo: http://www.virgo-gw.eu.Contact presse EGO/Virgo: Vincenzo Napolano, napolano@ego-gw.it, Tél.: 00 39 347 299 4985.

LIGO est financé par la NSF, piloté par Caltech et le MIT qui ont conçu LIGO et gèrent le projet (Un projet est un engagement irréversible de résultat incertain, non reproductible a priori à l’identique, nécessitant le concours et l’intégration d’une grande diversité de contribution, et...). Les ressources financières nécessaires au programme Advanced LIGO ont été fournies par la NSF avec une implication et des contributions importantes de l'Allemagne (Max Planck Society), du Royaume-Uni (Science and Technology Facilities Council) et de l'Australie (L’Australie (officiellement Commonwealth d’Australie) est un pays de l’hémisphère Sud dont la superficie couvre la plus grande partie de l'Océanie....) (Australian Research Council OzGrav). Environ 1 300 scientifiques du monde (Le mot monde peut désigner :) entier participent à cet effort par l'intermédiaire de la LIGO Scientific Collaboration qui inclut la Collaboration GEO (Geo était une marque de voiture qui appartenait à General Motors. La marque est apparue en 1989 aux États-Unis et elle fut absorbée par Chevrolet en...). La liste des autres partenaires de LIGO est disponible à l'adresse https://my.ligo.org/census.php (PHP (sigle de PHP: Hypertext Preprocessor), est un langage de scripts libre principalement utilisé pour produire des pages Web dynamiques via un serveur HTTP, mais pouvant également fonctionner comme n'importe quel langage...).

Resources média:
GW190814 Artistic Interpretation from Alex Andrix on Vimeo.

Contacts:
- Nicolas Arnaud - Chargé de mission médiation (Depuis l'essor de la médiation dans les années 1980, il existe plusieurs conceptions et applications de cette pratique dont l'objet est la...) et éducation - narnaud at lal.in2p3 (L'Institut national de physique nucléaire et de physique des particules (IN2P3) est un institut de recherche fondamentale du CNRS dont le domaine de recherche est comme son nom l'indique la physique nucléaire et des...).fr
- Matteo Barsuglia - Responsable du groupe Virgo France - barsuglia at apc.univ-paris7.fr
- Berrie Giebels - DAS Astroparticules et cosmologie (La cosmologie est la branche de l'astrophysique qui étudie l'Univers en tant que système physique.) - berrie.giebels at in2p3.fr
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