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Les astrophysiciens ont peut-être assisté à la fusion inédite d'un trou noir et d'une étoile à neutrons

Vue d'artiste de la fusion de deux étoiles à neutrons | NASA/Swift/Dana Berry

Un trou noir qui fusionne avec une étoile à neutrons, c’est-à-dire le résidu extrêmement massif d’un astre effondré sur lui-même. C’est ce qu’auraient observé des astrophysiciens, pour la première fois, à l’aide des détecteurs d’ondes gravitationnelles LIGO et VIRGO.

Pourquoi c’est important. Utilisés seuls, ou combinés avec des télescopes, ces instruments d’un genre particulier peuvent, depuis 2015 seulement, capter et parfois localiser des cataclysmes cosmiques jusque-là mystérieux. On espère ainsi mieux comprendre leur origine et vérifier la validité de la théorie de la relativité générale d’Einstein.

Qu’est-ce qu’une onde gravitationnelle. Dès qu’un objet massif est accéléré, il perd une partie de son énergie sous la forme d’une onde de gravitation — la force qui gouverne l’Univers. Un peu comme des vagues concentriques à la surface d’un étang, cette onde se propage dans l’espace-temps à la vitesse de la lumière et perturbe tous les objets pesants qu’elle rencontre. Einstein, qui avait prédit l’existence de ces ondes, les jugeait impossible à mesurer. En 2015, deux détecteurs nommés LIGO y sont parvenus.

Comment on les détecte. Grâce à des miroirs suspendus dont la distance change de manière infime au passage d’une onde gravitationnelle; on mesure ces déplacements apparents avec la lumière d’un faisceau laser. Comme ces miroirs sont sensibles à toutes sortes de vibrations — la chute d’un arbre au sol à plusieurs centaines de mètres par exemple —, on combine les observations de plusieurs détecteurs pour être sûr de mesurer un vrai signal et non du «bruit». La nature du signal observé permet alors de remonter jusqu’à la source d’émission de ces ondes dans l’Univers.

Il existe trois installations terrestres:

  • Deux LIGO, respectivement en Louisiane et dans l’Etat de Washington.

  • VIRGO en Italie.

Après un an de travaux d’amélioration, les LIGO et VIRGO peuvent désormais voir plus loin dans l’Univers, et donc détecter plus d’événements: environ un par semaine, contre moins d’un par mois dans la configuration antérieure.

Ce qu’ont récemment vu les astrophysiciens. Pour l’instant, on parle de candidats-événements. Autrement dit, ce sont des signaux dont on n’est pas complètement sûr qu’ils correspondent à de vrais événements cosmiques. Benoît Mours, responsable de VIRGO côté français, est optimiste:

«Nous sommes très confiants. Le système d’alerte est conçu pour qu’on ait au moins neuf vrais événements sur dix candidats.»

Depuis le 1er avril 2019, les observations se succèdent:

  • Une possible fusion entre une étoile à neutrons et un trou noir, un phénomène encore inédit.

«Le signal n’est pas très clair, selon Benoît Mours. Mais s’il est confirmé, cela nous permettra de vérifier si la relativité générale fonctionne encore pour deux objets de masse aussi différente.»

  • Une possible fusion de deux étoiles à neutrons, un phénomène déjà observé en 2017. Sa localisation est très imprécise:

«Il sera très difficile de vérifier si d’autres signaux, optiques ceux-là, ont pu être observés par des télescopes pour cet même événement car il est moins bien localisé et est beaucoup plus éloigné, et donc moins lumineux, que la précédente fusion d’étoiles à neutrons, observée il y a deux ans.»

  • Quatre fusions de trous noirs, qui s’ajoutent aux dix événements déjà observés.

«Nous commençons à établir un catalogue. Plus il y en aura, et plus nous pourrons faire des statistiques pour comprendre comment ces trous noirs se sont formés.»

Le futur de ce domaine. Un troisième détecteur est en construction au Japon. Il pourrait entrer en service d’ici un an. Un quatrième est envisagé, en Inde cette fois. Mais pour gagner encore en précision et observer d’autres phénomènes cosmiques, les scientifiques tablent déjà sur un détecteur d’ondes gravitationnelles placé dans l’espace, nommé LISA, qui pourrait être lancé vers 2035,

En attendant – c’est une des grandes nouveautés de cette année – les candidats-événements sont automatiquement annoncés sur un site internet en libre accès.

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