Le 17 août, le Laser Interferometry Gravitational-Wave Observatory (LIGO) a détecté la cinquième empreinte digitale d'une perturbation massive dans l'espace-temps depuis que LIGO a commencé ses opérations en septembre 2015. Contrairement aux quatre premières séries d'ondulations, qui reflète les collisions entre deux trous noirs, la forme de ces distorsions de l'espace-temps suggérait une collision entre deux étoiles à neutrons.

Alors que les collisions de trous noirs ne produisent presque aucune signature autre que des ondes gravitationnelles, la collision d'étoiles à neutrons peut être - et a été - observée de haut en bas du spectre électromagnétique. "Quand les étoiles à neutrons entrent en collision, tous l'enfer se déchaîne, " dit Frans Pretorius, un professeur de physique de Princeton. "Ils commencent à produire une énorme quantité de lumière visible, et aussi les rayons gamma, rayons X, les ondes radio…."

Les chercheurs de Princeton étudient les étoiles à neutrons et leurs signatures astronomiques depuis des décennies.

Étoiles à neutrons et rayons gamma :Bohdan Paczynski et Jeremy Goodman

Les ondes gravitationnelles ont été la première preuve de la fusion d'étoiles à neutrons à arriver sur Terre, suivi d'un sursaut gamma qui est arrivé 1,7 seconde plus tard.

La connexion entre les étoiles à neutrons et les sursauts gamma a été identifiée pour la première fois par les astrophysiciens de Princeton en 1986, dit James Stone, le Lyman Spitzer Jr., Professeur d'Astrophysique Théorique et Président du Département des Sciences Astrophysiques. "Beaucoup des découvertes annoncées [le 16 octobre] confirment les prédictions de base faites il y a 30 ans ici à Princeton."

Il faisait référence à une série d'articles dos à dos de Bohdan Paczynski, feu Lyman Spitzer Jr. professeur d'astrophysique théorique, et Jeremy Goodman, un doctorat en 1983. diplômé qui a étudié sous Paczynski et est maintenant professeur dans le département. Dans leurs articles, Paczynski et Goodman ont fait valoir que les collisions d'étoiles à neutrons pourraient être à l'origine de sursauts gamma, un mystérieux, source d'énergie à courte durée de vie identifiée pour la première fois par des satellites à la fin des années 1960.

« Nous avons tous les deux évoqué cette possibilité. Qui a lancé cette idée en premier ? Je ne sais pas, parce que nous étions en conversation constante, " a déclaré Goodman. "Nous savions que [les étoiles à neutrons] devaient occasionnellement entrer en collision, nous le savions grâce au travail de [le physicien de Princeton et lauréat du prix Nobel] Joe Taylor."

En outre, Paczynski s'était rendu compte que la plupart des sursauts gamma provenaient de distances suffisamment éloignées pour que l'expansion de l'univers affecte leur distribution apparente.

"Bohdan Paczynski avait tout à fait raison, " a déclaré Goodman. Cependant, ses idées n'ont pas été immédiatement adoptées par le terrain. "Je me souviens d'être allé à une conférence à Taos, Nouveau Mexique. … Bohdan a donné un bref exposé sur son idée que les sursauts gamma proviennent de distances cosmologiques. Je me souviens de ces autres astrophysiciens… ils étaient respectueusement silencieux quand il parlait, mais le considérait comme un peu fou."

Il ajouta, "Bohdan Paczynski était un penseur très audacieux."

Les étoiles à neutrons entrent en collision :Joseph Taylor, Russell Hulse et Joël Weisberg

La possibilité de collision d'étoiles à neutrons qui avait suscité la discussion de Paczynski et Goodman est apparue pour la première fois dans un article de 1981 de Joseph Taylor, maintenant le James S. McDonnell Distinguished University Professor of Physics, Émérite. Sa découverte en 1974 des étoiles à neutrons binaires avec son étudiant alors diplômé Russell Hulse, qui a ensuite travaillé au Princeton Plasma Physics Laboratory, a reçu le prix Nobel de physique en 1993. Ils ont montré que les deux étoiles à neutrons qu'ils avaient repérées étaient séparées d'environ un demi-million de kilomètres et tournaient l'une autour de l'autre toutes les 7,75 heures.

En 1981, peu de temps après son arrivée à Princeton, Taylor et le professeur adjoint Joel Weisberg ont annoncé qu'avec des mesures précises prises sur plusieurs années, ils avaient confirmé que la distance et la période changent avec le temps, avec une décroissance orbitale qui correspond à la prédiction d'Albert Einstein pour la perte d'énergie due à l'émission d'ondes gravitationnelles. L'orbite ralentit si infiniment qu'il faudra environ 300 millions d'années pour que les étoiles à neutrons du binaire Hulse-Taylor entrent en collision et fusionnent.

"Une fois le binaire d'étoiles à neutrons Hulse-Taylor compris, avec des expériences temporelles ultérieures montrant la cohérence avec la relativité générale, il était clair que des collisions se produiraient, " a déclaré Steven Gubser, un professeur de physique. "Alors que nous célébrons la première détection d'ondes gravitationnelles d'étoiles à neutrons en collision, créditons également Joe Taylor et Russell Hulse pour leur découverte originale des pulsars binaires, et pour la démonstration qu'il s'agit en fait d'étoiles à neutrons en orbite, n'attendent que d'entrer en collision."

Comment les stars fusionnent :Steven Gubser et Frans Pretorius

Imaginez un quart tournant sur une table. Comme la friction évacue l'énergie du système, le quartier commence à vaciller autour de son bord extérieur, faire un son "whop...whop...whop...whop" qui accélère (whop-whop-whop-whop) et accélère (whopwhopwhopwhop) jusqu'à ce qu'il ne s'agisse que d'un son flou qui monte en hauteur dans un "whoooop" final comme le quart s'aplatit sur la table.

C'est la démonstration que Gubser et Pretorius ont fournie en décrivant comment les trous noirs (ou étoiles à neutrons) entrent en collision – une merveille astronomique que LIGO a maintenant détectée cinq fois. Lors d'une récente conférence pour leur livre, "Le petit livre des trous noirs, " publié par Princeton University Press, Gubser et Pretorius ont utilisé un disque d'environ trois pouces de diamètre au lieu d'un quart, afin que leur public puisse plus facilement voir et entendre l'augmentation lente mais régulière de la vitesse du disque.

"Vous penseriez normalement que perdre de l'énergie correspond à un ralentissement, ne pas accélérer, mais tu as vu avec le disque qu'en fait ça peut aller dans l'autre sens, " a déclaré Gubser par la suite. " Comme le disque perd de l'énergie à cause de la friction, son point de contact se déplace de plus en plus vite, et produit cette fréquence montante caractéristique."

Que les objets en collision soient des étoiles à neutrons ou des trous noirs - ou l'un de chacun - le mouvement tourbillonnant et son son suivent le même schéma. Alors que l'énergie des ondes gravitationnelles s'évanouit, les deux objets orbiteront de plus en plus vite, en route vers leur disparition inévitable.

Dans le cas de la collision détectée par LIGO le 17 août, les deux étoiles - chacune de la taille de Manhattan et avec presque deux fois la masse du soleil - tournaient finalement l'une autour de l'autre des centaines de fois par seconde, se déplaçant à une fraction significative de la vitesse de la lumière avant leur collision.

"L'expérience de synchronisation de Taylor et Weisberg a montré les débuts de ce modèle, résultant d'une lente in-spirale, " dit Gubser. " La fréquence augmente très lentement, et c'est pourquoi c'était une mesure si impressionnante."

Par contre, il a dit, "dans la phase finale de l'in-spirale, la fréquence augmente rapidement, et vous obtenez le genre de forme d'onde 'whoop' ou 'chirp' que LIGO a vue."

Ce que les stars créent :Adam Burrows et David Radice

Quand les étoiles s'entrechoquent à une fraction appréciable de la vitesse de la lumière, la collision fusionne les atomes et crée les éléments qui remplissent les rangées du bas du tableau périodique.

"Ces éléments - le platine, or, beaucoup d'autres moins précieux qui se trouvent en haut du tableau périodique - ils ont plus de neutrons que de protons dans leurs noyaux, " Goodman a déclaré. "Vous ne pouvez pas accéder à ces noyaux de la même manière que nous comprenons les éléments jusqu'à la production de fer, en ajoutant efficacement un neutron à la fois. Le problème est que vous devez ajouter beaucoup de neutrons très rapidement. » Ce processus rapide est connu des physiciens sous le nom de processus r.

Pendant longtemps, les scientifiques pensaient que les éléments du processus r étaient créés dans les supernovae, mais les chiffres ne s'additionnent pas, dit Goodman. "Mais les étoiles à neutrons sont principalement des neutrons, et si vous en brisez deux ensemble, il est raisonnable de s'attendre à ce que certains des neutrons éclaboussent."

"Les produits de cette fusion pourraient être de l'or, uranium, europium - certains des éléments les plus lourds de la nature, " dit Adam Burrows, professeur de sciences astrophysiques et directeur du programme Planètes et vie.

Burrows et David Radice, chercheur associé, a récemment obtenu un financement du département américain de l'Énergie pour étudier la fusion d'étoiles à neutrons et de supernovae, que Burrows décrit collectivement comme « certains des phénomènes les plus explosifs, certains des plus violents, qui se produisent régulièrement dans l'univers."

Les observations spectroscopiques du Very Large Telescope (VLT) de l'Observatoire européen austral à la suite de la détection du LIGO ont confirmé que les métaux lourds comme le platine, le plomb et l'or ont été créés lors de la collision des deux étoiles à neutrons.

Les données du VLT utilisées pour identifier ces éléments, les longueurs d'onde visibles et proches du visible de la lumière, ont été recueillies dans les heures et les jours suivant la détection par LIGO des ondes gravitationnelles. Une fois que la nouvelle de la découverte de LIGO a commencé à se répandre, la communauté astronomique mondiale a dressé ses télescopes et autres instruments sur le morceau de ciel d'où provenaient les ondes gravitationnelles, dans ce que l'ancien chercheur postdoctoral de Princeton, Brian Metzger, a appelé la "campagne électromagnétique la plus ambitieuse et la plus chargée d'émotion de l'histoire, Probablement, pour tout [événement de courte durée] transitoire."

Metzger, professeur assistant de physique à l'Université de Columbia, était l'un des presque 4, 000 co-auteurs sur l'article décrivant les observations de suivi des rayons X, rayons gamma, ondes lumineuses visibles, ondes radio et plus encore. "Ce fut une découverte panchromatique vraiment incroyable des ondes gravitationnelles, à pratiquement toutes les longueurs d'onde, " il a dit.

L'impact sur la communauté astronomique se compare à un seul autre événement dans sa vie, dit Goodman :la supernova de 1987. Les observations de cette explosion stellaire ont fourni une résolution concrète à d'innombrables questions et théories astronomiques. "Les gens avaient construit ce modèle pour les supernovae, [un] imposant édifice théorique, et les bases d'observation étaient un peu fragiles, " Goodman a déclaré. "Personne ne pourrait penser à un meilleur modèle pour ces choses, mais alors pour le voir… je ne sais pas comment le décrire, c'est comme recevoir un télégramme de Dieu, dire exactement quels étaient ces événements.

Les rames de données recueillies à partir des "feux d'artifice électromagnétiques" produits par la fusion d'étoiles à neutrons ont eu un effet similaire, dit Goodman. "Nous avons eu toutes sortes de spéculations… mais maintenant nous avons ces ondes gravitationnelles. C'est exactement ce à quoi nous nous attendions pour deux masses compactes !"

"C'est l'avenir de la détection des ondes gravitationnelles, qui est une nouvelle astronomie qui a été ouverte, " a déclaré Burrows. " C'est une nouvelle fenêtre sur l'univers qui a été anticipée pendant des décennies, et c'est la concrétisation étonnante des ambitions de milliers de scientifiques, technologues, cela a en fait accompli ce que beaucoup de gens pensaient qu'ils ne pouvaient pas. "