Vue d'artiste du jet de matière lancé après la fusion des deux étoiles à neutrons. Crédit :© Katharina Immer (JIVE)
Une équipe de recherche internationale comprenant des astronomes de l'Institut Max Planck de radioastronomie de Bonn, Allemagne, a combiné des radiotélescopes des cinq continents pour prouver l'existence d'un étroit flux de matière, un soi-disant jet, émergeant du seul événement d'ondes gravitationnelles impliquant deux étoiles à neutrons jamais observés. Avec sa haute sensibilité et ses excellentes performances, le radiotélescope de 100 mètres à Effelsberg a joué un rôle important dans les observations.
En août 2017, deux étoiles à neutrons ont été observées en collision, produisant des ondes gravitationnelles qui ont été détectées par les détecteurs américain LIGO et européen Virgo. Les étoiles à neutrons sont des étoiles ultra-denses, à peu près la même masse que le Soleil, mais de taille similaire à une ville comme Cologne. Cet événement est le premier et le seul de ce type observé à ce jour, et c'est arrivé dans une galaxie à 130 millions d'années-lumière de la Terre, dans la constellation de l'Hydre.
Les astronomes ont observé l'événement et son évolution sur l'ensemble du spectre électromagnétique, des rayons gamma, Des rayons X à la lumière visible et aux ondes radio. Deux cents jours après la fusion, observations combinant des radiotélescopes en Europe, Afrique, Asie, Océanie, et l'Amérique du Nord ont prouvé l'existence d'un jet émergeant de cette violente collision. Ces résultats sont maintenant publiés dans la revue scientifique Science par une équipe internationale d'astronomes, dirigé par Giancarlo Ghirlanda de l'Institut national italien d'astrophysique (INAF).
Cette fusion d'étoiles à neutrons a représenté le premier cas où il a été possible d'associer une détection d'ondes gravitationnelles à un objet émettant de la lumière. L'événement a confirmé des théories scientifiques discutées depuis des dizaines d'années, et l'association des fusions d'étoiles à neutrons avec l'une des explosions les plus puissantes de l'univers :les sursauts gamma. Après la fusion, une énorme quantité de matière a été expulsée dans l'espace, formant une coquille autour de l'objet. Les astronomes ont suivi son évolution à différentes longueurs d'onde. Cependant, il restait encore quelques questions en suspens concernant cet événement qui n'ont pu être clarifiées par aucune observation précédente.
Image de la source obtenue à partir de la combinaison de trente-trois radiotélescopes des cinq continents. La source est visible au centre de l'image sous la forme d'un point rouge (image en fausses couleurs entièrement réalisée à des fins d'illustration). Crédit :© Giancarlo Ghirlanda/Science
"Nous nous attendions à ce qu'une partie de la matière soit éjectée par un jet collimaté, mais il n'était pas clair si ce matériau pouvait percer avec succès la coquille environnante, " explique Ghirlanda. " Il y avait deux scénarios concurrents :dans un cas, le jet ne peut pas percer la coque, à la place, générer une bulle en expansion autour de l'objet. Dans l'autre, le jet réussit à pénétrer la coque puis se propage plus loin dans l'espace, » développe Tiziana Venturi (INAF). Seule l'acquisition d'images radio très sensibles à très haute résolution écarterait un scénario ou l'autre. Cela nécessitait l'utilisation d'une technique dite d'interférométrie à très longue base (VLBI) qui permet aux astronomes de combiner télescopes tout autour de la Terre.
Les auteurs de cette publication ont effectué des observations globales dans le sens de la fusion le 12 mars 2018 à l'aide de trente-trois radiotélescopes du réseau européen VLBI (qui relie les télescopes d'Espagne, Le Royaume-Uni, Les Pays-Bas, Allemagne, Italie, Suède, Pologne, Lettonie, Afrique du Sud, Russie, et la Chine), e-MERLIN au Royaume-Uni, l'Australian Long Baseline Array en Australie et en Nouvelle-Zélande, et le Very Long Baseline Array aux États-Unis.
"Notre radiotélescope de 100 m à Effelsberg a participé aux observations et a été un élément clé, en raison de sa haute sensibilité et de ses excellentes performances, " dit Caroline Casadio, membre de l'équipe de recherche du Max Planck Institute for Radio Astronomy (MPIfR).
Vue d'artiste d'un jet qui éclate de la matière éjectée par la fusion des étoiles à neutrons. Le jet est produit par le trou noir, entouré d'un disque chaud, qui a été formé après la fusion. Crédit : O.S. Salafia, G. Ghirlanda, NASA/CXC/GSFC/B. Williams et al.
Les données de tous les télescopes ont été envoyées à JIVE, Les Pays-Bas, où les techniques de traitement les plus avancées ont été utilisées pour produire une image avec une résolution comparable à la résolution d'une personne à la surface de la Lune. Dans la même analogie, la bulle en expansion apparaîtrait avec une taille apparente équivalente à un camion sur la Lune, alors qu'un jet réussi serait détecté comme un objet beaucoup plus compact. « Comparer les images théoriques aux images réelles, on constate que seul un jet pourrait apparaître suffisamment compact pour être compatible avec la taille observée, " explique Om Sharan Salafia de l'INAF en Italie. L'équipe a déterminé que ce jet contenait autant d'énergie que produite par toutes les étoiles de notre galaxie pendant un an. " Et toute cette énergie était contenue dans une taille inférieure à une année-lumière, " dit Zsolt Paragi, aussi de JIVE.
"En Europe, nous utilisons le consortium RadioNet pour une utilisation efficace des radiotélescopes de nos membres. Les observations décrites ici combinent des observatoires radio partout en Europe et dans le monde. résultats, " explique Anton Zensus, Directeur au MPIfR et coordinateur du consortium RadioNet.
Dans les années à venir, beaucoup plus de ces fusions binaires d'étoiles à neutrons seront découvertes. "Les résultats obtenus suggèrent également que plus de 10 pour cent de toutes ces fusions devraient présenter un jet réussi, " explique Benito Marcote de JIVE. " Ces types d'observations nous permettront de dévoiler les processus qui se déroulent pendant et après certains des événements les plus puissants de l'univers, " conclut Sándor Frey de l'observatoire de Konkoly en Hongrie.
