En août 2019, le réseau d'ondes gravitationnelles LIGO-Virgo a été témoin de la fusion d'un trou noir avec 23 fois la masse de notre soleil et d'un objet mystérieux 2,6 fois la masse du soleil. Les scientifiques ne savent pas si l'objet mystère était une étoile à neutrons ou un trou noir, mais de toute façon, il a établi un record comme étant soit l'étoile à neutrons connue la plus lourde, soit le trou noir le plus léger connu. Crédit :LIGO/Caltech/MIT/R. Blessé (IAPC)
Quand les étoiles les plus massives meurent, ils s'effondrent sous leur propre gravité et laissent des trous noirs; quand des étoiles un peu moins massives meurent, ils explosent en supernova et laissent derrière eux denses, restes morts d'étoiles appelées étoiles à neutrons. Depuis des décennies, les astronomes ont été intrigués par un écart qui se trouve entre les étoiles à neutrons et les trous noirs :l'étoile à neutrons connue la plus lourde n'est pas plus de 2,5 fois la masse de notre soleil, ou 2,5 masses solaires, et le trou noir connu le plus léger est d'environ cinq masses solaires. La question demeurait :y a-t-il quelque chose dans ce soi-disant écart de masse ?
Maintenant, dans une nouvelle étude du Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO) de la National Science Foundation et du détecteur Virgo en Europe, des scientifiques ont annoncé la découverte d'un objet de 2,6 masses solaires, en le plaçant fermement dans l'écart de masse. L'objet a été trouvé le 14 août 2019, en fusionnant avec un trou noir de 23 masses solaires, générant une éclaboussure d'ondes gravitationnelles détectées sur Terre par LIGO et Virgo. Un article sur la détection a été accepté pour publication dans Les lettres du journal astrophysique .
"Nous avons attendu des décennies pour résoudre ce mystère, " déclare la co-auteur Vicky Kalogera, professeur à la Northwestern University. "Nous ne savons pas si cet objet est l'étoile à neutrons la plus lourde connue, ou le trou noir le plus léger connu, mais dans tous les cas, il bat un record."
"Cela va changer la façon dont les scientifiques parlent des étoiles à neutrons et des trous noirs, " dit le co-auteur Patrick Brady, professeur à l'Université du Wisconsin, Milwaukee, et le porte-parole de la collaboration scientifique LIGO. "L'écart de masse peut en fait ne pas exister du tout, mais peut être dû aux limitations des capacités d'observation. Le temps et d'autres observations nous le diront."
La fusion cosmique décrite dans l'étude, un événement baptisé GW190814, a abouti à un trou noir final d'environ 25 fois la masse du soleil (une partie de la masse fusionnée a été convertie en une explosion d'énergie sous la forme d'ondes gravitationnelles). Le trou noir nouvellement formé se trouve à environ 800 millions d'années-lumière de la Terre.
Avant que les deux objets ne fusionnent, leurs masses différaient d'un facteur de 9, ce qui en fait le rapport de masse le plus extrême connu pour un événement d'onde gravitationnelle. Un autre événement LIGO-Virgo récemment signalé, appelé GW190412, s'est produite entre deux trous noirs avec un rapport de masse d'environ 4:1.
"C'est un défi pour les modèles théoriques actuels de former des paires fusionnantes d'objets compacts avec un rapport de masse aussi élevé dans lequel le partenaire de faible masse réside dans l'écart de masse. Cette découverte implique que ces événements se produisent beaucoup plus souvent que nous ne l'avions prévu, ce qui en fait un objet de faible masse vraiment intrigant, " explique Kalogera. " L'objet mystère peut être une étoile à neutrons fusionnant avec un trou noir, une possibilité passionnante attendue théoriquement mais pas encore confirmée observationnellement. Cependant, à 2,6 fois la masse de notre soleil, il dépasse les prévisions modernes pour la masse maximale des étoiles à neutrons, et peut-être à la place le trou noir le plus léger jamais détecté."
Ce graphique montre les masses des trous noirs détectés par des observations électromagnétiques (violet), les trous noirs mesurés par les observations d'ondes gravitationnelles (bleu), les étoiles à neutrons mesurées avec des observations électromagnétiques (jaune), et les étoiles à neutrons détectées par les ondes gravitationnelles (orange). GW190814 est mis en évidence au milieu du graphique comme la fusion d'un trou noir et d'un objet mystérieux d'environ 2,6 fois la masse du soleil. Crédit :LIGO-Virgo/ Frank Elavsky &Aaron Geller (Northwestern)
Lorsque les scientifiques LIGO et Virgo ont repéré cette fusion, ils ont immédiatement envoyé une alerte à la communauté astronomique. Des dizaines de télescopes terrestres et spatiaux ont suivi à la recherche des ondes lumineuses générées lors de l'événement, mais aucun n'a capté de signaux. Jusque là, de telles contreparties lumineuses aux signaux d'ondes gravitationnelles n'ont été vues qu'une seule fois, dans un événement appelé GW170817. L'événement, découvert par le réseau LIGO-Virgo en août 2017, impliquait une collision enflammée entre deux étoiles à neutrons qui a ensuite été observée par des dizaines de télescopes sur Terre et dans l'espace. Les collisions d'étoiles à neutrons sont des affaires compliquées avec de la matière projetée vers l'extérieur dans toutes les directions et devraient donc briller de lumière. Inversement, fusions de trous noirs, dans la plupart des circonstances, sont censés ne pas produire de lumière.
Selon les scientifiques LIGO et Virgo, l'événement d'août 2019 n'a pas été vu par les télescopes basés sur la lumière pour plusieurs raisons possibles. D'abord, cet événement était six fois plus éloigné que la fusion observée en 2017, rendant plus difficile la captation des signaux lumineux. Deuxièmement, si la collision impliquait deux trous noirs, il n'aurait probablement pas brillé de lumière. Troisièmement, si l'objet était en fait une étoile à neutrons, son partenaire trou noir 9 fois plus massif aurait pu l'avaler en entier ; une étoile à neutrons entièrement consumée par un trou noir n'émettrait aucune lumière.
"Je pense à Pac-Man en train de manger un petit point, " dit Kalogera. " Quand les masses sont très asymétriques, la plus petite étoile à neutrons peut être mangée en une bouchée."
Comment les chercheurs sauront-ils un jour si l'objet mystérieux était une étoile à neutrons ou un trou noir ? Observations futures avec LIGO, Vierge, et peut-être que d'autres télescopes pourraient capter des événements similaires qui aideraient à révéler si des objets supplémentaires existent dans l'écart de masse.
"This is the first glimpse of what could be a whole new population of compact binary objects, " says Charlie Hoy, a member of the LIGO Scientific Collaboration and a graduate student at Cardiff University. "What is really exciting is that this is just the start. As the detectors get more and more sensitive, we will observe even more of these signals, and we will be able to pinpoint the populations of neutron stars and black holes in the universe."
"The mass gap has been an interesting puzzle for decades, and now we've detected an object that fits just inside it, " says Pedro Marronetti, program director for gravitational physics at the National Science Foundation (NSF). "That cannot be explained without defying our understanding of extremely dense matter or what we know about the evolution of stars. This observation is yet another example of the transformative potential of the field of gravitational-wave astronomy, which brings novel insights to light with every new detection."
