Les ondes gravitationnelles sont devenues l'outil le plus important dont disposent les astronomes. Ils sont déjà utilisés pour confirmer que les grands trous noirs (BH) - avec des masses au moins dix fois supérieures à celles du Soleil - et les fusions de ces grands BH, formant des BH encore plus grands, ne sont pas si rares dans l'Univers. En octobre 2017, cet outil a
fait un bond en avant .
On sait depuis longtemps que les étoiles à neutrons (NS), les restes effondrés d'étoiles qui ont explosé et sont devenues des supernovae, sont courantes dans l'Univers. Et on sait presque autant que la NZ se fait parfois par paires. (C'est ainsi que les ondes gravitationnelles ont été découvertes indirectement pour la première fois dans les années 1970). Les étoiles forment souvent des paires, et parfois les deux étoiles explosent et deviennent des supernovae, et leurs restes sous la forme de NS tournent l'un autour de l'autre. Selon la théorie de la relativité d'Einstein, une paire d'étoiles devrait progressivement perdre de l'énergie en émettant des ondes gravitationnelles dans l'espace, et lentement, mais sûrement, ces deux objets devraient tomber l'un sur l'autre en spirale. En conséquence, après des millions, voire des milliards d'années, ils entrent en collision et fusionnent en une NZ ou une BH plus grande. À la suite de cette collision, deux événements se produisent.
- Un flash de lumière très brillant surgit - des ondes électromagnétiques - dont nous ne pouvons que deviner les détails. Certaines de ces ondes seront de la lumière visible, et la plupart d'entre elles seront invisibles, par exemple, un rayonnement gamma.
- Des ondes gravitationnelles apparaissent, dont les détails sont plus faciles à calculer, grâce auxquels elles peuvent être distinguées, mais n'ont pu être détectées avant que LIGO et VIRGO ne commencent à collecter des données: LIGO pour les dernières années et VIRGO pour les derniers mois.
Il est possible que nous ayons déjà vu la lumière de la fusion des deux NS, mais personne ne peut en être sûr. Ne serait-il pas agréable de voir des ondes gravitationnelles ET des ondes électromagnétiques émanant de la fusion de NS? Ce sera comme si vous voyez un feu d'artifice et entendez une explosion - voir et entendre en même temps est mieux que séparément, chacun des signaux clarifie l'autre. (Attention: les scientifiques disent souvent que la détection des ondes gravitationnelles est comme une rumeur. Ce n'est qu'une analogie, et très éloignée. Ils ne sont pas du tout comme les ondes acoustiques que nous entendons avec nos oreilles, pour de nombreuses raisons - par conséquent, vous n'avez pas besoin de prendre l'analogie littéralement). Si nous pouvons faire ceci et cela, nous serons en mesure d'acquérir de nouvelles connaissances sur NS et leurs propriétés d'une manière complètement nouvelle.
Et nous avons finalement découvert que cela s'était produit. Le LIGO, avec les deux premiers observatoires gravitationnels, a découvert des vagues de deux NS fusionnantes situées à 130 millions d'années-lumière de la Terre, le 17 août 2017. (La fusion de NS dure beaucoup plus longtemps que la fusion de BH, ils sont donc faciles à distinguer; en particulier, cette fusion s'est produite si (relativement) près qu'elle a pu être observée pendant une longue période). VIRGO, avec un troisième détecteur, a permis aux scientifiques de trianguler et de déterminer approximativement l'emplacement de la fusion. Ils ont reçu un signal très faible, mais il s'est avéré extrêmement important, car il a informé les scientifiques que la fusion s'est produite dans une petite région du ciel dans laquelle VIRGO a un angle mort. Et cela a fait comprendre aux scientifiques où chercher.
La fusion a été observée pendant plus d'une minute - elle peut être comparée à BH, dont la fusion a lieu en moins d'une seconde. Mais ce n'est pas encore tout à fait clair ce qui s'est passé à la fin! La fusion NS a-t-elle formé une autre NS ou BH? Ce n'est pas encore clair.
Presque exactement au moment où les ondes gravitationnelles ont atteint un maximum, une autre équipe de scientifiques du projet FERMI a enregistré un flash de rayons gamma - des ondes électromagnétiques à haute fréquence. FERMI observe quotidiennement le rayonnement gamma provenant des extrémités de l'univers, et un sursaut de rayons gamma de deux secondes n'était pas inhabituel. Il a été découvert par une autre expérience avec des rayons gamma, INTEGRAL. Les équipes ont échangé des informations en quelques minutes. Les détecteurs de rayons gamma FERMI et INTEGRAL peuvent déterminer assez approximativement la zone du ciel d'où proviennent ces rayons gamma, et LIGO / VIRGO ne donnent ensemble qu'une zone approximative. Mais les scientifiques ont vu le chevauchement de ces sites, et les preuves étaient incontestables. L'astronomie est donc entrée dans une nouvelle phase tant attendue.
Seulement cela en soi était déjà une découverte assez importante. De brefs éclairs de rayons gamma occupent les scientifiques depuis des années. L'une des meilleures hypothèses sur leur origine a été l'hypothèse de la fusion de la NZ. Maintenant, l'énigme a été résolue - cette hypothèse, évidemment, a été justifiée. (Et si ce n'est pas le cas? Les rayons gamma détectés étaient étonnamment faibles, donc des questions demeurent).
En outre, le fait que ces signaux soient venus avec un écart de quelques secondes les uns des autres, après avoir quitté la même source, parcouru un chemin qui leur a pris plus de 100 millions d'années, confirme que la vitesse de la lumière et la vitesse de la gravitation les ondes sont les mêmes - et les deux sont égales à la limite de vitesse cosmique, en accord exact avec les prédictions de la théorie de la gravité d'Einstein.
Ensuite, ces équipes ont rapidement informé leurs collègues astronomes de la nécessité de diriger leurs télescopes vers la zone où devrait se trouver la source. Des dizaines de télescopes, du monde entier et de l'espace, ont recherché des ondes électromagnétiques avec une large gamme de fréquences, dirigées approximativement dans la bonne direction, et ont balayé le ciel à la recherche de quelque chose d'inhabituel. (L'un des problèmes était que l'objet souhaité se trouvait dans le ciel près du Soleil, de sorte qu'il ne pouvait être vu que dans l'obscurité et seulement une heure chaque nuit). Et la lumière a été découverte! À toutes les fréquences! L'objet s'est avéré être très lumineux, ce qui rend très facile de trouver la galaxie dans laquelle la fusion a eu lieu. Une lumière vive était visible dans les rayons gamma, la lumière ultraviolette, la lumière infrarouge, les rayons X et la portée radio. (Cette fois, les neutrinos, particules qui peuvent être utilisées comme un autre moyen d'observer des explosions à distance, n'ont pas été détectés).
Et avec tant d'informations, vous pouvez en savoir tellement!
La chose la plus importante, probablement, est la suivante: à partir des lois présentes dans le spectre lumineux, l'hypothèse est confirmée que les fusions d'étoiles à neutrons sont importantes, peut-être les sources prédominantes de l'apparition de nombreux éléments chimiques lourds - l'iode, l'iridium, le césium, l'or, le platine, etc. - survenant à des températures élevées dans de telles collisions. La source la plus probable était considérée comme étant les mêmes supernovae qui forment NS. Mais maintenant, apparemment, il s'est avéré que la deuxième étape de la vie de la NZ - la fusion, pas la naissance - est tout aussi importante. C'est étonnant car les fusions NS sont beaucoup moins courantes que les explosions de supernova. Dans notre galaxie, la supernova de la Voie lactée éclate environ une fois tous les cent ans, mais des dizaines de millénaires s'écoulent entre l'apparition de ces «kilos» dans les fusions NS.
Si quelque chose dans cette nouvelle est décevant, c'est celui-ci: presque tout ce qui a été observé dans ces expériences a été prédit à l'avance. Parfois, il est plus important et plus utile que vos prévisions ne soient absolument pas justifiées, car vous comprenez alors combien il vous reste à découvrir. De toute évidence, notre compréhension de la gravité, de la Nouvelle-Écosse, de leurs fusions, de tous les types de sources de rayonnement électromagnétique résultant de ces fusions, est bien meilleure que vous ne le pensez. Mais, heureusement, il y a plusieurs nouveaux puzzles. Les rayons X sont en retard; les rayons gamma étaient faibles - nous en apprendrons plus à ce sujet bientôt, puisque la NASA doit organiser une nouvelle conférence.
Quelques thèmes de la conférence:
- De nouvelles informations ont été obtenues à l'intérieur du NS, affectant leur taille et leur fusion exacte.
- La première image d'une source d'ondes gravitationnelles en lumière visible, située à l'arrière d'une galaxie éloignée, a été obtenue à l'aide du télescope Swope. Le centre de la galaxie est un cercle de lumière et les flèches indiquent le lieu de l'explosion.
- Les calculs théoriques de l'explosion du kilo indiquent que les fragments de l'explosion devraient bloquer la lumière visible assez rapidement, de sorte que l'explosion s'atténue rapidement en lumière visible - mais la lumière infrarouge reste beaucoup plus longue. Les observations de télescopes dans les domaines visible et infrarouge confirment cet aspect de la théorie; cette évidence peut être vue dans l'image ci-dessus, où après quatre jours le point lumineux est devenu beaucoup plus sombre et beaucoup plus rouge.
- Bilan: la masse totale d'or et de platine issue de cette explosion est bien supérieure à la masse de la Terre.
- Note: ces étoiles à neutrons se sont formées il y a environ 10 milliards d'années. Ils ont tourné autour de l'autre la majeure partie de l'histoire de l'Univers et ont mis fin à leur existence il y a seulement 130 millions d'années, donnant lieu à une explosion récemment découverte.
- Un grand mystère: toutes les rafales de rayons gamma précédentes que nous avons enregistrées brillaient dans les rayons ultraviolets et les rayons X exactement de la même manière que dans la gamme gamma. Mais cette fois, les rayons X ne sont pas apparus, du moins pas immédiatement. Ce fut une grosse surprise. Le télescope Chandra a mis 9 jours pour détecter les rayons X trop faibles pour un autre télescope. Est-ce à dire que deux NS ont créé BH, qui a ensuite créé un jet ( flux relativiste ) de matière, dirigé non directement vers nous et mettant en évidence la matière dans l'espace interstellaire? Une telle possibilité a été proposée il y a 20 ans, mais certaines preuves en sa faveur ont été obtenues pour la première fois.
- Autre surprise: il a fallu 16 jours pour ouvrir les ondes radio, et ils les ont ouvertes avec le plus puissant des radiotélescopes existants, Very Large Array . Depuis lors, l'émission radio augmente la luminosité! Cela, comme dans le cas des rayons X, soutient l'idée d'un jet dirigé loin de nous.
- Jusqu'à présent, nous n'avons rien vu de semblable à ce flash gamma - ou, plus précisément, nous ne l'avons pas reconnu. Lorsque les rayons gamma n'ont pas de composante radiographique qui apparaît presque immédiatement, cela semble juste étrange et un peu mystérieux. Il est plus difficile à observer que la plupart des flashs, car si le jet ne nous regarde pas directement, sa rémanence disparaît rapidement. De plus, si le jet nous regarde, il s'avère si brillant qu'il nous aveugle et ne nous permet pas de reconnaître les détails des propriétés du kilon. Mais cette fois, LIGO / VIRGO a déclaré aux scientifiques: "Oui, c'est une fusion de NS", ce qui a conduit à une étude détaillée à toutes les fréquences électromagnétiques, y compris une étude patiente de plusieurs jours des rayons gamma et des émissions radio. Dans d'autres cas, ces observations cesseraient peu de temps après le début et toute l'histoire pourrait ne pas être correctement interprétée.