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Des boursiers du CIFAR ont participé à la première détection d’ondes gravitationnelles émanant de la collision de deux étoiles à neutrons

by CIFAR oct. 16 / 17

Photo: Courtesy of LIGO-Virgo/Aaron Geller/Northwestern University


Ces observations ont donné aux astronomes une occasion sans précédent

Pour la première fois, des scientifiques ont détecté directement les ondes gravitationnelles provenant de la collision spectaculaire de deux étoiles à neutrons; ils ont aussi détecté de la lumière visible émanant de la fusion. La découverte, signalée aujourd’hui par une équipe de scientifiques du monde entier, marque la première fois qu’un événement cosmique est détecté par la lumière visible et les ondes gravitationnelles — les ondulations de l’espace-temps prédites il y a un siècle par la théorie de la relativité générale d’Albert Einstein. 

Ce résultat annonce une nouvelle ère de l’astronomie multimessagers où différents types de rayonnements électromagnétiques et d’ondes gravitationnelles se combinent pour nous permettre d’accroître davantage nos connaissances sur l’Univers que ce que nous pourrions apprendre de l’un ou l’autre de ces messagers pris isolément. Cinq chercheurs du programme Extrême Univers et gravité du CIFAR ont contribué à cette découverte.

Cette animation illustre les phénomènes observés au fil des neuf jours qui ont suivi la fusion des étoiles à neutrons, connue sous le nom de GW170817. Notons des ondes gravitationnelles (arcs pâles), un jet producteur de rayons gamma (magenta) dont la vitesse s’approche de celle de la lumière, des débris en expansion provenant d’une kilonova productrice d’ultraviolets (violet), des émissions optiques et infrarouges (blanc-bleu à rouge) et, une fois que le jet qui se dirigeait vers nous s’est retrouvé dans la ligne de visée depuis la Terre, des rayons X (bleus). (Vidéo : Goddard Space Flight Center et CI Lab de la NASA)

« Le programme Extrême Univers et gravité se situe à l’avant-garde de ce qui est une véritable révolution en astrophysique, et en fait de toute la science », a déclaré Vicky Kaspi (Université McGill), boursière de la Fondation R. Howard Webster et directrice du programme, qui n’a pas elle-même participé aux plus récents résultats. « Ce nouveau résultat vraiment étonnant sur les ondes gravitationnelles constitue encore un autre exemple de ce que l’avenir nous réserve. C’est un privilège d’être témoin de l’évolution de ces événements. »

La collision a été détectée le 17 août par l’observatoire américain LIGO (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory, Observatoire d’ondes gravitationnelles par interférométrie laser), le détecteur européen Virgo et quelque 70 observatoires terrestres et spatiaux, dont le satellite Fermi de la NASA qui a détecté une faible impulsion de rayons gamma.

Les étoiles à neutrons sont les étoiles les plus petites et les plus denses que l’on connaît et elles se forment quand des étoiles massives explosent en supernovæ. Au moment où ces deux étoiles à neutrons tournaient en spirale, elles ont émis des ondes gravitationnelles que l’on a pu détecter pendant environ 100 secondes. Au moment de la collision, les étoiles ont libéré un éclair de lumière sous la forme de rayons gamma. Dans les jours et les semaines qui ont suivi la collision, d’autres formes de rayonnement électromagnétique ont été détectées, y compris des rayons X, des ultraviolets, des ondes optiques, des infrarouges et des ondes radio.

« Il s’agit du tout premier événement qui marque le début de l’ère de l’astronomie multimessagers », a déclaré Harald Pfeiffer (Université de Toronto), l’un des membres du programme Extrême Univers et gravité du CIFAR qui participe à la collaboration LIGO-Virgo. Pfeiffer réalise actuellement une étude visant à recouper les résultats de la détection pour repérer des effets généralisés et à préciser davantage les résultats.

Des « messagers », comme des astroparticules, des ondes électromagnétiques et des ondes gravitationnelles permettent aux chercheurs de mieux comprendre un système astrophysique. « Il est possible d’obtenir bien plus de données sur la source, car on la voit de différentes façons », a déclaré Gabriela Gonzalez (Université d’état de la Louisiane), membre associée du CIFAR et spécialiste des instruments qui travaille à l’amélioration de la sensibilité des détecteurs du LIGO. Gonzalez a dirigé la collaboration scientifique LIGO lors de la première découverte d’ondes gravitationnelles en 2015.



« Le programme Extrême Univers et gravité se situe à l’avant-garde de ce qui est une véritable révolution en astrophysique, et en fait de toute la science. »

Les signaux d’ondes gravitationnelles et les signaux électromagnétiques contiennent des données complémentaires. D’une part, à partir des signaux d’ondes gravitationnelles, nous pouvons mesurer la masse d’étoiles à neutrons, leur distance et les propriétés de la matière nucléaire qui les composent. D’autre part, les signaux électromagnétiques nous renseignent sur la composition des éléments produits par la collision.

« Il s’agit d’un laboratoire exceptionnel de physique et d’astrophysique fondamentales », a ajouté Parameswaran Ajith, chercheur au Centre international des sciences théoriques (TIFR) en Inde et Chercheur mondial CIFAR-Azrieli. Ajith et Pfeiffer ont également souligné que cette découverte ouvre la voie à une nouvelle méthode pour mesurer la constante de Hubble — une mesure de la vitesse d’expansion de l’Univers.

« C’est la toute première fois que nous avons pu établir un lien entre une source d’ondes gravitationnelles détectée par LIGO-Virgo et toutes les autres notions astrophysiques par l’entremise du rayonnement électromagnétique », a déclaré Daryl Haggard, professeur à l’Université McGill et Chercheur mondial CIFAR-Azrieli.

Haggard faisait partie d’une équipe qui a eu recours au télescope orbital à rayons X Chandra de la NASA pour réaliser les premières détections par rayons X d’une source d’ondes gravitationnelles. Leur observation, réalisée deux semaines après la détection originale, était la troisième de Chandra et a permis de repérer des émissions de rayons X persistantes provenant du lieu de la collision, là où il n’y en avait pas auparavant.

Leurs observations ont confirmé que le jet violent de plasma chaud, connu sous le nom de rayons gamma, déclenché par la collision des étoiles à neutrons, était désaxé et non pas pointé vers la Terre. C’est la première fois qu’un court éclair de rayons gamma était observé latéralement. Son analyse révélera comment la fusion a pu se produire, quelle était la structure magnétique des étoiles à neutrons et comment cette énergie influence le milieu interstellaire autour de la collision.

On pense que la fusion d’étoiles à neutrons est responsable de la production de la plupart des éléments lourds de l’Univers. Une étude plus approfondie de ces collisions pourrait aider les scientifiques à déterminer l’origine de ces éléments qui composent près de la moitié du tableau périodique. Déjà, les observations de suivi effectuées par des télescopes du monde entier ont révélé des signatures de matériaux récemment synthétisés, dont l’or et le platine.

Plusieurs dizaines d’articles scientifiques partageant les résultats obtenus seront publiés aujourd’hui dans diverses revues, y compris la détection principale dans Physical Review Letters. Les données issues de cet événement nous permettront aussi d’apprendre comment se comporte la matière de très haute densité.

« Les étoiles à neutrons font environ 1,4 fois la masse du soleil et toute cette masse se condense dans un volume qui fait grossièrement la taille de Toronto », a déclaré Pfeiffer. « C’est l’un des rares endroits dans l’Univers où nous pouvons vraiment apprendre comment se comporte une matière aussi dense. »

Selon Ajith, qui a travaillé sur la mesure de la vitesse des ondes gravitationnelles produites par la collision, la détection conjointe marque la première fois que nous avons pu comparer la vitesse des ondes gravitationnelles à la vitesse de la lumière.


Il s’agit d’une révolution en astronomie

« Le fait que ces deux signaux soient arrivés presque en même temps indique que la vitesse des ondes gravitationnelles est incroyablement proche de celle de la lumière. Einstein avait prédit ce phénomène, mais c’est la première fois que nous en faisons une mesure directe », a déclaré Ajith.

Vicky Kalogera (Université Northwestern), cinquième membre du CIFAR ayant participé à la détection, a fait des contributions novatrices en prédisant la fréquence à laquelle LIGO est susceptible d’observer la fusion d’étoiles à neutron doubles ou de trous noirs doubles à partir d’observations d’ondes radio existantes et de calculs théoriques. Les nouvelles détections révéleront comment la nature s’y prend pour former ces systèmes.

« C’est une révolution en astronomie », a déclaré Kalogera. « Jamais auparavant n’y a-t-il eu autant d’astronomes ni autant d’instruments pour étudier une source et percer de multiples mystères d’un coup. »

Le programme Extrême Univers et gravité du CIFAR cherche à comprendre l’origine et l’évolution de l’Univers, en partie par le recours aux ondes gravitationnelles afin d’étudier des objets à grande force gravitationnelle, comme les étoiles à neutrons. L’étude de ces phénomènes astronomiques est une spécialité de longue date de la recherche canadienne. En outre, le programme vise à réunir un vaste éventail de chercheurs de tous les domaines de la recherche astronomique.

« Pour pleinement mettre à profit [ces résultats], il faut disposer d’un très large éventail de compétences. Il faut des spécialistes des ondes gravitationnelles, des gens capables d’effectuer des simulations numériques, ainsi que des astronomes et des théoriciens. Ce programme du CIFAR est un espace pratiquement sans pareil où toutes ces personnes se réunissent, il s’agit donc de l’endroit idéal pour accomplir de réels progrès », a déclaré Pfeiffer.