Il y a deux ans, des scientifiques du Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO) ont détecté pour la première fois des ondes gravitationnelles, prouver la théorie de la relativité d'Einstein et sa prédiction de leur existence. Les vagues ont été déclenchées par la collision de deux trous noirs.

Le 17 août, 2017, LIGO et le détecteur franco-italien Virgo ont observé une toute nouvelle classe de signaux d'ondes gravitationnelles :une fusion d'étoiles à neutrons binaires. Cette fusion et sa rémanence ont été étudiées par des télescopes couvrant tout le spectre électromagnétique, des rayons gamma aux ondes radio.

D'un intérêt fondamental pour les physiciens et les astronomes, les observations d'ondes gravitationnelles ont inauguré une nouvelle ère de la science. En réalité, tant d'articles scientifiques sur la fusion d'étoiles à neutrons ont été publiés en une journée que les chercheurs ont créé un index en ligne pour les suivre.

Maintenant, moins de deux mois après cette première détection d'étoiles à neutrons en collision, Le Kavli Institute for Theoretical Physics (KITP) de l'UC Santa Barbara a organisé un programme de réponse rapide pour les scientifiques du monde entier, directement soutenu par la Fondation Kavli. Plus de 75 physiciens et astronomes ont discuté de l'astrophysique de la fusion d'étoiles à neutrons et ont écouté des dizaines de présentations qui ont approfondi les détails de cet événement révolutionnaire le plus récent.

"L'intention de 'GW170817:The First Double Neutron Star Merger' est de faire mieux connaître les résultats produits par la vaste collaboration qui a permis ces découvertes passionnantes, ", a déclaré le directeur du KITP, Lars Bildsten. "Le KITP offre aux scientifiques intéressés un endroit non seulement pour prendre en compte la grande quantité de données générées par le dernier événement, mais aussi pour pousser les interprétations de ces données."

Le signal d'ondes gravitationnelles d'août a produit la première mesure de distance à une galaxie voisine à partir de la fusion de deux étoiles à neutrons et a exploré l'équation d'état de la matière à des densités supernucléaires. D'autres domaines d'étude ont également émergé de la profusion de données gravitationnelles et électromagnétiques, y compris la formation d'éléments lourds ainsi que le sursaut gamma et d'autres signaux électromagnétiques qui ont suivi la fusion des étoiles à neutrons.

L'origine cosmique des éléments plus lourds que le fer a fait l'objet de nombreux débats. Bien que les modèles théoriques montrent que la matière expulsée lors d'une fusion d'étoiles à neutrons peut se transformer en or et en platine dans un processus connu sous le nom de nucléosynthèse à capture rapide de neutrons (processus r), ce dernier événement fournit une observation directe solide.

"Pendant des années, les gens ont essayé d'étudier comment les éléments les plus lourds se sont formés en regardant les traces fossiles de ces éléments dans le soleil ou dans les météorites, " a expliqué l'astrophysicien de l'UC Berkeley Daniel Kasen, un coordinateur du programme KITP. "Finalement, avec cet événement nous avons eu l'échantillon pur d'éléments lourds éjecté de la fusion d'étoiles à neutrons et nous avons pu le sonder directement, par observation, en regardant la lumière de la lueur radioactive de ces éléments lourds."

Depuis plusieurs années, des physiciens et des astronomes, dont beaucoup ont participé à un programme KITP plus long sur un sujet similaire en 2012, ont modélisé à quoi ressemblerait une fusion d'étoiles à neutrons doubles. Il s'avère que de nombreux modèles de ces phénomènes extrêmement complexes étaient incroyablement précis.

"Les ondes gravitationnelles nous ont dit qu'il s'agissait d'étoiles à neutrons et les observations électromagnétiques nous ont parlé du spectre de la désintégration radioactive qui produit les éléments du processus r, " dit Duncan Brown, le professeur Charles Brightman de physique à l'Université de Syracuse et coordinateur principal du programme de réponse rapide KITP. "Vous mettez ces deux ensemble et ils complètent notre connaissance de l'origine du tableau périodique."

Un autre sujet brûlant du programme était la contrepartie électromagnétique de la fusion d'étoiles à neutrons. Le sursaut de rayons gamma a parcouru les ondes gravitationnelles à 130 millions d'années-lumière à travers l'univers pour être observé sur Terre à seulement deux secondes d'intervalle. Cela a démontré que les fusions d'étoiles à neutrons sont l'origine longtemps recherchée des sursauts gamma. Il a également montré qu'avec une précision extrêmement élevée, la vitesse de la gravité et la vitesse de la lumière sont les mêmes, lequel, selon Brown, exclut une grande classe de théories modifiées de la gravité.

"Ce qui m'a surpris, ce sont les discussions sur les mécanismes possibles d'émission de sursauts gamma, " a déclaré Brown. " En astronomie à ondes gravitationnelles, la théorie a 50 ans d'avance sur les observations, alors que le côté électromagnétique est l'inverse; les observations ont 50 ans d'avance sur la théorie. Ça va être intéressant de voir comment cela évolue."

Les physiciens et les astronomes auront une autre chance d'explorer la science des ondes gravitationnelles dans un futur programme KITP prévu pour 2019. "La nouvelle ère de la physique et de l'astrophysique des ondes gravitationnelles" réunira un large groupe d'experts pour discuter de l'astrophysique et de la physique fondamentale qui peut être tiré des observations disponibles à ce moment-là, qui, espérons-le, sera considérable.

LIGO et Virgo mettent à jour leur instrumentation avec l'espoir que lorsqu'ils reviendront en ligne à l'automne 2018 avec une sensibilité accrue, leurs efforts produiront des observations supplémentaires de signaux d'ondes gravitationnelles, peut-être d'autres sources.

"Ils ne seront pas tous les mêmes en masses ou en rotations et peut-être verrons-nous un trou noir et une étoile à neutrons entrer en collision, " a déclaré Brown. " Ce n'est vraiment que le début d'un effort mondial pour utiliser ces collisions pour étudier la physique fondamentale, l'astrophysique et l'évolution stellaire."