Cette vue d'artiste montre deux étoiles à neutrons minuscules mais très denses au point où elles fusionnent et explosent en une kilonova. On s'attend à ce qu'un événement aussi rare produise à la fois des ondes gravitationnelles et un court sursaut gamma, qui ont tous deux été observés le 17 août 2017 par LIGO-Virgo et Fermi/INTEGRAL respectivement. Des observations détaillées ultérieures avec de nombreux télescopes de l'ESO ont confirmé que cet objet, vu dans la galaxie NGC 4993 à environ 130 millions d'années-lumière de la Terre, est bien une kilonova. De tels objets sont la principale source d'éléments chimiques très lourds, comme l'or et le platine, dans l'univers. Crédit :ESO/L. Calçada/M. Kornmesser
Pour la première fois, des scientifiques ont été témoins du crash cataclysmique de deux étoiles à neutrons ultra-denses dans une galaxie lointaine, et a conclu que de tels impacts ont forgé au moins la moitié de l'or dans l'Univers.
Les ondes de choc et les éclairs lumineux de la collision ont parcouru quelque 130 millions d'années-lumière pour être capturés par des détecteurs terrestres le 17 août. Des équipes enthousiastes ont été révélées lors de conférences de presse tenues dans le monde entier lundi alors qu'une douzaine d'articles scientifiques connexes étaient publiés dans les meilleures revues universitaires.
"Nous avons vu l'histoire se dérouler sous nos yeux :deux étoiles à neutrons se rapprocher, plus proche... tournant de plus en plus vite l'un autour de l'autre, puis heurter et disperser des débris partout, », a déclaré à l'AFP le co-découvreur Benoit Mours de l'institut de recherche français du CNRS.
L'observation révolutionnaire a résolu un certain nombre d'énigmes de physique et a envoyé des ondulations d'excitation à travers la communauté scientifique.
Le plus époustouflant pour beaucoup, les données ont finalement révélé où une grande partie de l'or, platine, uranium, provenaient du mercure et d'autres éléments lourds de l'Univers.
Les télescopes ont vu des preuves de matériaux nouvellement forgés dans les retombées, les équipes ont dit - une source longtemps suspectée, maintenant confirmé.
"Il est clair qu'une fraction significative, peut-être la moitié, peut-être plus, des éléments lourds de l'Univers sont en fait produits par ce type de collision, " a déclaré le physicien Patrick Sutton, membre du Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO) basé aux États-Unis qui a contribué à la découverte.
Les étoiles à neutrons sont les condensées, les cœurs brûlés qui restent lorsque les étoiles massives sont à court de carburant, exploser, et meurt.
Typiquement environ 20 kilomètres (12 miles) de diamètre, mais avec plus de masse que le Soleil, ils sont hautement radioactifs et ultra-denses - une poignée de matériaux d'un seul pèse autant que le mont Everest.
Une image de Swope Supernova Survey 2017a (ou SSS17a) de la nuit de la découverte. Le 17 août, une équipe de quatre astronomes de Carnegie a fourni le tout premier aperçu de la collision de deux étoiles à neutrons, ouvrant la porte à une nouvelle ère de l'astronomie. Crédit :Tony Piro.
'Trop beau'
Il avait été théorisé que les fusions de deux de ces corps exotiques créeraient des ondulations dans le tissu de l'espace-temps connues sous le nom d'ondes gravitationnelles, ainsi que des éclairs brillants de rayonnement à haute énergie appelés sursauts de rayons gamma.
Le 17 août, les détecteurs ont été témoins des deux phénomènes, 1,7 secondes d'intervalle, provenant du même endroit dans la constellation de l'Hydre.
"Il était clair pour nous en quelques minutes que nous avions une détection binaire d'étoiles à neutrons, " a déclaré David Shoemaker, un autre membre de LIGO, qui a des détecteurs à Livingston, Louisiane et Hanford, Washington.
"Les signaux étaient beaucoup trop beaux pour être autre chose que ça, ", a-t-il déclaré à l'AFP.
L'observation a été le fruit d'années de travail de milliers de scientifiques dans plus de 70 observatoires terrestres et spatiaux sur tous les continents.
Avec LIGO, ils comprennent des équipes du détecteur d'ondes gravitationnelles Virgo d'Europe en Italie, et un certain nombre de télescopes terrestres et spatiaux, dont Hubble de la NASA.
"Cet événement marque un tournant dans l'astronomie d'observation et débouchera sur un trésor de résultats scientifiques, " a déclaré Bangalore Sathyaprakash de l'École de physique et d'astronomie de l'Université de Cardiff, rappelant "le plus excitant de ma vie scientifique".
"C'est extrêmement excitant de vivre un événement rare qui transforme notre compréhension du fonctionnement de l'Univers, " a ajouté France Cordova, directeur de la National Science Foundation qui finance LIGO.
La détection est une autre plume dans le chapeau pour le physicien allemand Albert Einstein, qui a prédit pour la première fois les ondes gravitationnelles il y a plus de 100 ans.
L'équipe de l'UC Santa Cruz a trouvé SSS17a en comparant une nouvelle image de la galaxie N4993 (à droite) avec des images prises quatre mois plus tôt par le télescope spatial Hubble (à gauche). Les flèches indiquent où SSS17a était absent de l'image de Hubble et visible dans la nouvelle image du télescope Swope. Crédit :Crédits image :Gauche, Hubble/STScI; Droit, Equipe 1M2H/Observatoires UC Santa Cruz &Carnegie/Ryan Foley
Quelque chose de "fondamental"
Trois pionniers de LIGO, Barry Barish, Kip Thorne et Rainer Weiss, ont reçu ce mois-ci le prix Nobel de physique pour l'observation des ondes gravitationnelles, sans laquelle la dernière découverte n'aurait pas été possible.
Les ondulations ont été observées quatre fois auparavant, la première fois par LIGO en septembre 2015. Toutes les quatre provenaient de fusions de trous noirs, qui sont encore plus violents que les crashs d'étoiles à neutrons, mais n'émet aucune lumière.
La cinquième et dernière détection était accompagnée d'un sursaut de rayons gamma qui, selon les scientifiques, provenait de plus près de l'Univers et était moins brillant que prévu.
"Ce que cet événement nous dit, c'est qu'il pourrait y avoir beaucoup plus de ces courts sursauts gamma à proximité de l'Univers que ce à quoi nous nous attendions, " a déclaré Sutton - une perspective passionnante pour les scientifiques qui espèrent découvrir d'autres secrets de l'Univers.
Entre autres, on espère que les données des collisions d'étoiles à neutrons permettront le calcul définitif de la vitesse à laquelle le cosmos s'étend, qui à son tour nous dira quel âge il a et combien de matière il contient.
"Avec ces observations, nous n'apprenons pas seulement ce qui se passe lorsque des étoiles à neutrons entrent en collision, nous apprenons aussi quelque chose de fondamental sur la nature de l'Univers, " a déclaré Julie McEnery du projet de télescope spatial à rayons gamma Fermi.
Une étoile à neutrons écrase la "découverte d'une vie"
"Vraiment un moment eurêka", "Tout ce que j'ai toujours espéré", "Un rêve devenu réalité" - Des scientifiques normalement restreints ont atteint les étoiles lundi pour décrire les sentiments qui accompagnent un événement "unique dans une vie".
Le déclencheur de cette pluie de météores de superlatifs a été l'écrasement de deux étoiles à neutrons incroyablement denses il y a 130 millions d'années.
La preuve de cet affrontement cosmique a traversé l'espace et a atteint la Terre le 17 août à exactement 12h41 GMT, mettre en branle un secret, sans sommeil, Blitzkrieg de plusieurs semaines d'observation des étoiles et de calcul de chiffres impliquant des centaines de télescopes et des milliers d'astronomes et d'astrophysiciens du monde entier.
C'était comme si un réseau dormant de super-espions entrait simultanément en action.
Le fracas stellaire s'est fait connaître de deux manières :il a créé des ondulations appelées ondes gravitationnelles dans le continuum espace-temps d'Einstein, et illumina tout le spectre électromagnétique de la lumière, des rayons gamma aux ondes radio.
Les scientifiques avaient détecté des ondes gravitationnelles quatre fois auparavant, un exploit reconnu par un prix Nobel de physique plus tôt ce mois-ci.
Mais chacun de ces événements, généré par la collision de trous noirs, n'a duré que quelques secondes, et est resté invisible pour les télescopes terrestres et spatiaux.
La collision d'étoiles à neutrons était différente.
Il a généré des ondes gravitationnelles captées par deux observatoires américains connus sous le nom de LIGO, et un autre en Italie appelé Virgo, qui a duré 100 secondes. Moins de deux secondes plus tard, un satellite de la NASA a enregistré une rafale de rayons gamma.
Concept d'artiste de la collision explosive de deux étoiles à neutrons. Crédit :Robin Dienel avec l'aimable autorisation de la Carnegie Institution for Science.
Un vrai moment « eurêka »
Cela a déclenché une course folle pour localiser ce qui était presque certainement la source unique pour les deux.
"C'est la première fois que nous observons un événement astrophysique cataclysmique dans les ondes gravitationnelles et électromagnétiques, " a déclaré le directeur exécutif de LIGO, David Reitze, professeur au California Institute of Technology (Caltech) à Pasadena
Les calculs initiaux avaient réduit la zone à une parcelle de ciel dans l'hémisphère sud couvrant cinq ou six galaxies, mais les astronomes frustrés ont dû attendre la tombée de la nuit pour continuer la recherche.
Finalement, vers 22H00 GMT, un réseau de télescopes dans le désert du nord du Chili l'a cloué :la fusion stellaire avait eu lieu dans une galaxie connue sous le nom de NGC 4993.
Stéphane Smartt, qui a dirigé les observations pour le télescope des nouvelles technologies de l'Observatoire spatial européen, a été abasourdi lorsque le spectre a illuminé ses écrans. "Je ne l'avais jamais vu quelque chose comme ça, " a-t-il rappelé.
Partout, les scientifiques étaient stupéfaits.
"Cet événement était vraiment un moment eurêka, " dit Bangalore Sathyaprakash, chef du groupe de physique gravitationnelle à l'université de Cardiff. "Les 12 heures qui ont suivi sont sans conteste les plus excitantes de ma vie scientifique."
"Il y a de rares occasions où un scientifique a la chance d'assister à une nouvelle ère à son début - c'est l'un de ces moments, " dit Elena Pian, astronome à l'Institut national d'astrophysique de Rome.
Les astronomes affiliés à LIGO à Caltech avaient passé des décennies à se préparer au hasard – calculé à 80, 1 000 contre 1 chance d'assister à une fusion d'étoiles à neutrons.
Ne dis rien à tes amis
« Ce matin-là, tous nos rêves se sont réalisés, " a déclaré Alan Weinstein, responsable de l'analyse des données astrophysiques pour LIGO à Caltech.
"Cette découverte était tout ce que j'avais toujours espéré, emballé dans un seul événement, " a ajouté Francesco Pannarale, un astrophysicien à l'Université de Cardiff au Pays de Galles.
Pour ces scientifiques et des milliers d'autres, GW170817, l'étiquette du sursaut d'étoiles à neutrons, deviendra un « vous souvenez-vous où vous étiez ? » genre de moment.
"J'étais assis dans le fauteuil de mon dentiste quand j'ai reçu le SMS, " dit Benoit Mours, astrophysicien au Centre National de la Recherche et coordinateur français pour la Vierge. "J'ai bondi et me suis précipité vers mon labo."
Patrick Sutton, chef du groupe de physique gravitationnelle à Cardiff et membre de l'équipe LIGO, était coincé dans un bus long-courrier, du mal à télécharger des centaines d'e-mails encombrant sa boîte de réception.
Une comparaison des images de Swope Supernova Survey 2017a (ou SSS17a) de la nuit de la découverte, 17 août et quatre nuits plus tard, 21 août. Crédit :Tony Piro.
Des rumeurs ont circulé au sein et au-delà de la communauté de l'astronomie alors que les scientifiques se sont empressés de préparer les premières conclusions pour publication lundi dans une douzaine d'articles répartis dans plusieurs des principales revues mondiales.
"Il y a eu pas mal de pintes et de verres de vin ou de champagne - en privé, bien sûr, parce que nous n'avons pas été autorisés à le dire à personne, ", a déclaré Sutton à l'AFP.
Mais il n'a pas pu s'empêcher de dire à son fils de 12 ans, un aspirant physicien.
« Il a pourtant juré de garder le secret. Il n'a pas le droit de le dire à ses amis.
LIGO et Vierge :les machines qui perçoivent les mystères de l'univers
Les trois machines qui ont donné aux scientifiques leur tout premier aperçu des ondes gravitationnelles résultant d'une collision d'étoiles à neutrons sont les détecteurs les plus avancés jamais construits pour détecter de minuscules vibrations dans l'univers.
Les détecteurs LIGO et Virgo ont déjà capté le "chirp" des trous noirs fusionnant dans l'univers lointain, envoyant des ondulations dans le tissu de l'espace et du temps.
La détection de ces ondes gravitationnelles pour la première fois en 2015 a confirmé la théorie centenaire de la relativité générale d'Albert Einstein.
Les deux détecteurs souterrains basés aux États-Unis sont connus sous le nom de Laser Interferometer Gravitational-wave Observatory, ou LIGO pour faire court.
L'un est situé à Hanford, Washington; l'autre 1, 800 milles (3, 000 kilomètres) à Livingston, Louisiane.
La construction a commencé en 1999, et les observations ont été faites de 2001 à 2007.
Ensuite, ils ont subi une mise à niveau majeure pour les rendre 10 fois plus puissants.
Les détecteurs avancés LIGO sont devenus pleinement opérationnels pour la première fois en septembre 2015.
Le 14 septembre, 2015, le détecteur en Louisiane a d'abord capté le signal d'une onde gravitationnelle, originaires il y a 1,3 milliard d'années dans le ciel austral.
Vierge
Le troisième détecteur souterrain est près de Pise, Italie, et est connue sous le nom de Vierge.
Construit il y a un quart de siècle par un partenariat franco-italien, le détecteur Virgo a terminé sa première série d'observations en 2011, puis a subi une mise à niveau.
Advanced Virgo a été mis en ligne en avril de cette année, et a fait sa première observation d'ondes gravitationnelles le 14 août, marquant le quatrième événement de ce type observé par les scientifiques depuis 2015.
La Vierge est moins sensible que LIGO, mais avoir trois détecteurs aide les scientifiques à se concentrer sur la zone de l'univers où se produit un événement cosmique, et mesurer la distance avec une plus grande précision.
"Une zone de recherche plus petite permet des observations de suivi avec des télescopes et des satellites pour les événements cosmiques qui produisent des ondes gravitationnelles et des émissions de lumière, comme la collision d'étoiles à neutrons, " a déclaré Laura Cadonati, professeure de Georgia Tech.
Comment ils travaillent
Ces énormes interféromètres laser, chacun d'environ 2,5 miles (quatre kilomètres) de long, sont enterrés sous le sol pour permettre les mesures les plus précises.
Les instruments en forme de L suivent les ondes gravitationnelles en utilisant la physique de la lumière laser et de l'espace.
Ils ne dépendent pas de la lumière du ciel comme le fait un télescope.
Plutôt, ils sentent les vibrations dans l'espace, un avantage qui leur permet de découvrir les propriétés des trous noirs et des étoiles à neutrons.
"Lorsqu'une onde gravitationnelle se propage dans l'espace, elle étend l'espace-temps, " a expliqué David Shoemaker, leader du projet Advanced LIGO au Massachusetts Institute of Technology (MIT).
Le détecteur, en bref, "est juste un gros appareil pour changer la contrainte dans l'espace en un signal électrique."
Une façon d'imaginer la courbure de l'espace et du temps est d'imaginer une balle tombant sur un trampoline.
Le trampoline s'incline vers le bas en premier, étirer le tissu verticalement et raccourcir les côtés.
Alors que la balle rebondit à nouveau vers le haut, le mouvement horizontal du tissu se dilate à nouveau.
L'instrument agit comme un transducteur, changer cette tension en changements de lumière, puis en un signal électronique afin que les scientifiques puissent le numériser et l'analyser.
"La lumière du laser doit voyager dans le vide pour ne pas être perturbée par toutes les fluctuations de l'air, " dit le cordonnier, notant que LIGO contient le « plus grand système de vide poussé au monde, "—mesurant 1,2 mètre (yards) sur 2,5 miles (quatre kilomètres) de long.
Les détecteurs contiennent deux bras très longs qui contiennent des instruments optiques pour courber la lumière, et sont positionnés comme la lettre L.
Si un bras se raccourcit, et l'autre s'allonge, les scientifiques savent qu'ils voient une onde gravitationnelle.
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