Le 17 août, 2017, de faibles ondulations dans le tissu de l'espace-temps connues sous le nom d'ondes gravitationnelles ont balayé la Terre. Contrairement aux ondes gravitationnelles précédemment détectées, ceux-ci étaient accompagnés de lumière, permettant aux astronomes de localiser la source. Le télescope spatial Hubble de la NASA a tourné son regard puissant sur la nouvelle balise, obtenir à la fois des images et des spectres. Les données résultantes aideront à révéler les détails de la collision titanesque qui a créé les ondes gravitationnelles, et ses suites.

Le Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO) a détecté des ondes gravitationnelles à 8 h 41 HAE le 17 août. Deux secondes plus tard, Le télescope spatial à rayons gamma Fermi de la NASA a mesuré une courte impulsion de rayons gamma connue sous le nom de sursaut de rayons gamma. De nombreux observatoires, y compris les télescopes spatiaux, sondé l'emplacement suspect de la source, et dans les 12 heures environ, plusieurs ont repéré leur proie.

Dans une galaxie lointaine appelée NGC 4993, à environ 130 millions d'années-lumière de la Terre, un point de lumière brillait là où rien n'avait été auparavant. C'était environ mille fois plus lumineux qu'une variété d'éruption stellaire appelée nova, le mettant dans une classe d'objets que les astronomes appellent "kilonovae". Il s'est également évanoui sensiblement au cours des six jours d'observations de Hubble.

"Cela semble être le tiercé commun que la communauté astronomique attendait :les ondes gravitationnelles, un sursaut gamma et une kilonova se produisent tous ensemble, " dit Ori Fox, du Space Telescope Science Institute de Baltimore.

La source de tous les trois était la collision de deux étoiles à neutrons, les restes âgés d'un système d'étoiles binaires. Une étoile à neutrons se forme lorsque le noyau d'une étoile massive mourante s'effondre, un processus si violent qu'il écrase les protons et les électrons pour former des particules subatomiques appelées neutrons. Le résultat est comme un noyau atomique géant, entasser le matériel de plusieurs Suns dans une boule de quelques kilomètres de diamètre.

Dans NGC 4993, deux étoiles à neutrons tournaient autrefois l'une autour de l'autre à une vitesse fulgurante. Alors qu'ils se rapprochaient, ils tournoyaient encore plus vite, tourner aussi vite qu'un mélangeur vers la fin. De puissantes forces de marée ont arraché d'énormes morceaux tandis que le reste est entré en collision et a fusionné, formant une plus grande étoile à neutrons ou peut-être un trou noir. Des restes vomis dans l'espace. Libéré de la pression d'écrasement, les neutrons se sont reconvertis en protons et en électrons, formant une variété d'éléments chimiques plus lourds que le fer.

"Nous pensons que les collisions d'étoiles à neutrons sont une source de toutes sortes d'éléments lourds, de l'or de nos bijoux au plutonium qui alimente les vaisseaux spatiaux, centrales électriques et bombes, " a déclaré Andy Fruchter, du Space Telescope Science Institute.

Plusieurs équipes de scientifiques utilisent la suite de caméras et de spectrographes de Hubble pour étudier la source d'ondes gravitationnelles. Fruchter, Fox et leurs collègues ont utilisé Hubble pour obtenir un spectre de l'objet en lumière infrarouge. En divisant la lumière de la source en un spectre arc-en-ciel, les astronomes peuvent sonder les éléments chimiques qui sont présents. Le spectre a montré plusieurs bosses et ondulations larges qui signalent la formation de certains des éléments les plus lourds de la nature.

"Le spectre ressemblait exactement à la façon dont les physiciens théoriciens avaient prédit le résultat de la fusion de deux étoiles à neutrons. Il a lié cet objet à la source d'ondes gravitationnelles au-delà de tout doute raisonnable, " a déclaré Andrew Levan de l'Université de Warwick à Coventry, Angleterre, qui a dirigé l'une des propositions d'observations spectrales de Hubble. Des observations spectrales supplémentaires ont été menées par NialTanvir de l'Université de Leicester, Angleterre.

Les lignes spectrales peuvent être utilisées comme empreintes digitales pour identifier des éléments individuels. Cependant, ce spectre s'avère difficile à interpréter.

"Au-delà du fait que deux étoiles à neutrons ont projeté beaucoup de matière dans l'espace, nous ne savons pas encore ce que le spectre nous dit d'autre, " a expliqué Fruchter. " Parce que le matériel se déplace si vite, les raies spectrales sont brouillées. Aussi, il existe toutes sortes d'isotopes inhabituels, dont beaucoup sont de courte durée et subissent une désintégration radioactive. La bonne nouvelle est que c'est un spectre exquis, nous avons donc beaucoup de données avec lesquelles travailler et analyser."

Hubble a également capté la lumière visible de l'événement qui s'est progressivement estompée au cours de plusieurs jours. Les astronomes pensent que cette lumière provenait d'un puissant « vent » de matière se déplaçant rapidement vers l'extérieur. Ces observations suggèrent que les astronomes ont vu la collision depuis le plan orbital des étoiles à neutrons. Si vu de côté (le long du plan orbital), la matière éjectée lors de la fusion aurait obscurci la lumière visible et seule la lumière infrarouge serait visible.

"Ce que nous voyons d'une kilonova peut dépendre de notre angle de vue. Le même type d'événement apparaîtrait différemment selon que nous le regardons de face ou de face, qui nous a totalement surpris, " a déclaré Eleonora Troja de l'Université du Maryland, Parc du Collège, et le Goddard Space Flight Center de la NASA à Greenbelt, Maryland. Troja est également un chercheur principal d'une équipe utilisant les observations de Hubble pour étudier l'objet.

La source d'ondes gravitationnelles est maintenant trop proche du Soleil dans le ciel pour que Hubble et d'autres observatoires puissent l'étudier. Il reviendra en vue en novembre. Jusque là, les astronomes travailleront avec diligence pour apprendre tout ce qu'ils peuvent sur cet événement unique.

Le lancement du télescope spatial James Webb de la NASA offrira également l'occasion d'examiner la lumière infrarouge de la source, si cette lueur reste détectable dans les mois et les années à venir.