Demandez à Ethan: pourquoi la lumière est-elle arrivée 1,7 seconde plus tard que les ondes gravitationnelles lorsque les étoiles à neutrons ont fusionné?

La fusion de deux étoiles à neutrons selon l'artiste. Les distorsions du réseau spatio-temporel représentent des ondes gravitationnelles émises lors d'une collision, et les rayons étroits sont des jets de rayonnement gamma qui tirent quelques secondes après les ondes gravitationnelles (les astronomes les voient comme des éclairs de rayons gamma)

Le 17 août, après un voyage de 130 millions d'années, un signal sous forme d'ondes gravitationnelles provenant de deux étoiles à neutrons, se dirigeant l'une vers l'autre en spirale aux derniers stades de la fusion, est arrivé sur Terre . Après la collision des surfaces de deux étoiles, le signal s'est brusquement arrêté et il y a eu un silence. Bien que ces restes d'étoiles d'un diamètre de peut-être seulement 20 km se déplaçaient à une vitesse d'environ 30% de la lumière, immédiatement après la collision, nous n'avons rien vu. Et seulement 1,7 s plus tard, le premier signal est arrivé: la lumière sous forme de rayons gamma. D'où vient le retard? Grande question posée par notre lecteur:

Discutons de l'importance d'une différence de 1,7 s entre l'heure d'arrivée des ondes gravitationnelles et l'éclatement des rayons gamma lors du dernier événement avec des étoiles à neutrons.

Voyons ce que nous avons vu et essayons de comprendre d'où vient ce retard.


Les étoiles à neutrons pendant la fusion peuvent émettre presque simultanément des ondes gravitationnelles et des signaux électromagnétiques. Mais les détails de la fusion sont assez vagues et les modèles théoriques ne coïncident pas exactement avec les observations.

Lors de l'approche des étoiles à neutrons avant la fusion, les ondes gravitationnelles deviennent plus fortes. Contrairement à la fusion des trous noirs, il n'y a ni horizon d'événement ni singularité au centre. Les étoiles à neutrons ont une surface solide, dont 90% sont constitués de neutrons et 10% des noyaux d'autres atomes (et électrons) situés à la surface. Il est prévu que lors de la collision de deux de ces surfaces, une réaction nucléaire incontrôlée se produise, entraînant:

• La libération d'une énorme quantité de matière, plusieurs fois supérieure à Jupiter en masse.
• La formation d'un objet central effondré, très probablement un trou noir, et seulement après quelques centaines de millisecondes, si nous parlons des masses impliquées dans l'événement décrit.
• Accélération et éjection de matériaux entourant des objets confluents.

Nous savons que lorsque deux étoiles à neutrons fusionnent, dont la simulation est illustrée dans l'image, elles émettent des jets de rayons gamma et provoquent d'autres phénomènes électromagnétiques. Mais la question de savoir pourquoi l'éclatement des rayons gamma s'est produit 1,7 seconde après la fusion gravitationnelle n'a pas encore donné de réponse claire.

Grâce aux observations de plus de 70 télescopes et satellites dans les spectres allant du rayonnement gamma aux ondes radio, nous savons maintenant que c'est dans de tels processus que la plupart des éléments lourds du tableau périodique sont générés. Nous savons qu'à la suite de la fusion, une étoile à neutrons en rotation rapide est probablement apparue, qui s'est effondrée dans un trou noir après une fraction de seconde. Et nous savons que le premier signal électromagnétique de cette fusion - les rayons gamma de haute énergie - est arrivé 1,7 seconde après la fin des signaux gravitationnels. Sur une échelle de temps de 130 Ma, cela signifie que les vitesses des ondes gravitationnelles et de la lumière sont égales avec une erreur de 10 ^-15 .


Aux derniers moments de la fusion, deux étoiles à neutrons émettent non seulement des ondes gravitationnelles, mais subissent également une explosion catastrophique qui répond à travers le spectre électromagnétique. La différence d'arrivée entre la lumière et les ondes gravitationnelles nous permet d'en apprendre beaucoup sur l'univers.

Mais pourquoi les rayons gamma sont-ils en retard? Pourquoi ne sont-ils pas venus en même temps que les ondes gravitationnelles? Il y a deux options possibles:

1. Des rayons gamma ont été émis 1,7 seconde après le premier contact des surfaces des étoiles à neutrons.
2. Des rayons gamma ont été émis presque immédiatement, mais ont été retardés par le passage de matière entourant la scène.

Le hic, c'est que la vraie réponse peut s'avérer être une combinaison des deux facteurs ou une alternative improbable qui inclut la physique exotique (une légère différence dans la vitesse des ondes gravitationnelles et électromagnétiques). Voyons comment les deux options peuvent être jouées.


Pendant l'approche en spirale et la fusion de deux étoiles à neutrons, une énorme quantité d'énergie devrait sortir, ainsi que l'apparition d'éléments lourds, d'ondes gravitationnelles et de signaux électromagnétiques

Retard dans l'apparition du rayonnement gamma: lorsque deux étoiles à neutrons entrent en collision, elles émettent des rayons gamma. La principale théorie au cours des 20 dernières années sur l'apparition de courts éclairs de rayonnement gamma dans le ciel était la collision d'étoiles à neutrons - et cette théorie a été étonnamment confirmée lors de l'observation de l'événement GW170817. Mais où apparaissent exactement les rayons gamma?

• À la surface des étoiles à neutrons.
• En raison de la collision de la matière rejetée avec la matière environnante.
• Dans les noyaux des étoiles à neutrons.

Si l'une des deux dernières options est vraie, les rayons gamma auraient dû être retardés. Fusion, éjection de matière, collision avec la matière environnante, émission de matière de haute énergie par les rayons gamma - tout cela prend du temps. Si la matière est située à une distance considérable d'une étoile à neutrons, par exemple à des dizaines ou des centaines de milliers de kilomètres, cela expliquerait très simplement le retard.


Si les rayons gamma n'apparaissent pas à la surface, mais à l'intérieur des étoiles à neutrons en collision, il devrait également y avoir un retard, car la lumière mettra du temps à surmonter l'épaisseur de l'étoile et à remonter à la surface. Les ondes gravitationnelles ne sont pas retardées lors du passage à travers la matière dense, et la lumière est retardée. Cela serait très similaire à notre observation d'une supernova en 1987, lorsque les neutrinos (non retardés par le passage à travers la matière) sont arrivés quatre heures avant le premier signal lumineux, car la lumière a été retardée à travers une grande quantité de matière. Chacune de ces explications peut entraîner des retards de rayons gamma.


Un éclair rapide de rayons gamma, dont la cause a longtemps été considérée comme la fusion d'étoiles à neutrons. Un environnement riche en gaz peut retarder l'arrivée d'un signal.

Emission instantanée, mais arrivée retardée: une autre option de base. Même si les rayons gamma sont émis par un strass, ils doivent traverser un environnement riche en matière d'une étoile à neutrons. Et il sera riche en matière, car en raison de la très grande vitesse de déplacement des étoiles à neutrons et des énormes champs magnétiques émis par celles-ci, le matériau sera certainement projeté dans l'espace lors de leur convergence et de leur fusion. Leur danse commune dure très longtemps, donc beaucoup de matière devrait se rassembler autour d'eux, à travers laquelle la lumière doit passer avant qu'elle n'atteigne nos yeux. Y a-t-il suffisamment de matériel pour contenir la lumière pendant 1,7 seconde? Cela peut être tellement - et c'est une autre des principales options.


Le pulsar dans les voiles , comme tous les pulsars, est un exemple de cadavre d'une étoile à neutrons. Très souvent, il est entouré de gaz et de matière de cette manière, et la substance entourant les étoiles à neutrons participant au GW170817 peut être responsable du retard de la lumière.

Pour obtenir la bonne réponse, il est nécessaire d'étudier les variantes d'événements pour différentes combinaisons de masses: masse totale jusqu'à 2,5 solaires (à la suite de quoi vous obtenez une étoile à neutrons stable); de 2,5 à 3 masses solaires (comme dans le cas où nous avons vu - une étoile à neutrons apparaît temporairement, puis se transforme en trou noir); plus de 3 masses solaires (un trou noir apparaît immédiatement); ainsi que mesurer les signaux lumineux. Nous pouvons en savoir plus si nous déterminons à l'avance le début de la phase d'approche en spirale et nous pouvons diriger les instruments au point souhaité quelque temps avant la fusion. Comme LIGO / Virgo et d'autres détecteurs d'ondes gravitationnelles ont gagné et deviennent plus sensibles, ces actions se révéleront de mieux en mieux avec nous.


Vestiges d'une supernova de 1987n située dans le Grand Nuage de Magellan à 165 000 années-lumière. Le fait que les neutrinos soient arrivés plusieurs heures avant le premier signal lumineux nous en dit plus sur le temps nécessaire à la lumière pour pénétrer les couches de supernova que sur la vitesse d'un neutrino qui ne se distingue pas de la vitesse de la lumière

Les idées exotiques, comme les différentes vitesses de gravité et de lumière, sont totalement inutiles pour expliquer cette observation. Le retard de 1,7 s s'explique par plusieurs idées qui ne s'écartent pas de la physique traditionnelle. Les ondes gravitationnelles traversent simplement la matière sans résistance, et la lumière interagit avec elle, étant une onde électromagnétique, et cela peut conduire à des résultats complètement différents. Par rapport aux supernovae, les rayons gamma générant des étoiles à neutrons sont minuscules.Par conséquent, pour décrire pleinement et précisément cet effet, il sera nécessaire de comprendre comment ce cataclysme se déroule à des intervalles de temps très courts. Les théoriciens des courses cherchent à comprendre ce qui se passe, nous avons déjà les données. Et le prochain événement de ce type peut tout changer.

Ethan Siegel - astrophysicien, vulgarisateur scientifique, auteur de Starts With A Bang! Il a écrit les livres «Beyond the Galaxy» [ Beyond The Galaxy ] et «Tracknology: the science of Star Trek» [ Treknology ].