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Ondes gravitationnelles : Le CEA participe à la quête mondiale des échos lumineux créés par la fusion de deux étoiles à neutrons


​La collaboration LIGO-Virgo a observé pour la première fois des ondes gravitationnelles émises lors de la fusion de deux étoiles à neutrons, celle-ci s’accompagnant de l’émission de lumière. Autant sur terre que dans l’espace, le CEA a participé à la chasse à ces contreparties lumineuses1 observées dans les heures et jours qui suivirent. L'ensemble de ces résultats est publié le 16 octobre 2017 dans une série d'articles scientifiques, auxquels contribue le CEA, présentés dans les revues Nature, Astrophysical Journal Letters et Physical Review Letters.

Publié le 17 octobre 2017

​Le 17 août 2017 à 14 heures 41 minutes et 4 secondes (heure de Paris), lla collaboration LIGO-VIRGO a donné l’alerte à un réseau de télescopes du passage d'une onde gravitationnelle (onde-G), une minuscule déformation de l'espace-temps provenant de la périphérie de la galaxie NGC 4393, située à environ 130 millions d'années-lumière de la Terre.  Le signal détecté, bien plus long que dans le cas de la fusion de trous noirs comme lors des détections précédentes (une centaine de secondes contre une fraction de seconde), montre que les deux objets qui finissent par fusionner sont différents de ceux détectés jusqu’à présent. L'analyse détaillée des données indiquera que les masses des deux objets sont comprises entre 1,1 et 1,6 fois la masse du Soleil, ce qui correspond à celles des étoiles à neutrons.

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Les trois installations LIGO-Hanford et LIGO_Livingstone (ici à gauche) et VIRGO (à droite) ont enregistré le passage d'une onde gravitationnelle, GW170817, le 17 aout 2017, correspondant à la fusion de deux étoiles à neutrons. © Ligo-Virgo Collaboration.

Une priorité pour tous les types de télescope de la planète…

C'est seulement la cinquième onde gravitationnelle détectée à ce jour. Presque au même moment et de manière indépendante, le satellite Fermi de la Nasa enregistrait un sursaut gamma – un flash de rayonnement très énergétique – et lançait immédiatement une alerte automatique. Si ce type de flash est relativement fréquent (il s’en produit presque chaque semaine en moyenne), celui-ci a la particularité d’être détecté environ 2 secondes après la fin du signal d’ondes gravitationnelles, indiquant un lien fort entre ces deux événements. L'alerte immédiatement donnée aux astronomes du monde entier a engagé une course contre la montre sans précédent pour essayer de rechercher pour la première fois tout rayonnement associé à ce lointain bruit cosmique. Pas moins de 70 observatoires sur Terre et dans l’espace ont été braqués sur la région de l'onde-G. C'est le petit télescope Swope (1m de diamètre) à l'observatoire Las Campanas (Chili) qui, le 18 août à 3h53 (heure de Paris), soit treize heures seulement après l'alerte, a réussi le premier à localiser précisément une source lumineuse transitoire, baptisée SSS17a, et située au périhélie de la galaxie elliptique NGC 4993.
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La détection conjointe LIGO/VIRGO a permis de délimiter la zone d'émission (zone vert foncé) correspondant aussi à la zone du sursaut gamma FERMI/INTEGRAL (en bleu). Le télescope américain Swope au Chili annonce en premier la découverte d’une nouvelle source brillante (en haut à droite). En bas à droite image de la galaxie avant la fusion.

dans une recherche de contreparties optiques à laquelle participe le CEA

 1 Pour être décelées sur Terre, les ondes gravitationnelles doivent être produites par des événements cosmiques spectaculaires, tels que la fusion de deux objets compacts et massifs. Certains de ces cataclysmes émettent aussi des quantités phénoménales de lumière, parfois comme de brefs éclairs. Cette opportunité, les astrophysiciens ne veulent pas la laisser passer. Aussi la traque des ondes gravitationnelles s’accompagne-t-elle de la recherche d’ondes électromagnétiques comme les rayons gamma, les rayons X, voire la lumière visible. Dans le jargon des astrophysiciens, on parle de « contrepartie lumineuse ».
A l'aide d'une panoplie de détecteurs développés avec la participation du CEA, les physiciens de l’Institut de Recherche sur les lois Fondamentales de l’Univers (Irfu) du CEA ont scruté la région d'où est provenue cette onde gravitationnelle.
  • Grâce au satellite européen à rayons gamma INTEGRAL en orbite, les astrophysiciens ont pu, une heure et quart seulement après l’alerte internationale, montrer que l'onde GW170817 s'était accompagnée d'un sursaut gamma, brève bouffée de rayons gamma émise juste 2 seconde après la fusion des deux astres. INTEGRAL possède à son bord deux instruments, l'imageur IBIS  (Imager on-Board the INTEGRAL Satellite) et le spectromètre SPI (SPectrometer for Integral), capables de localiser et mesurer l'énergie des rayons X-durs et gamma (entre 15 keV et 10 MeV). Pour se protéger des particules cosmiques chargées, le spectromètre SPI est doté d'un bouclier dit "d'anticoïncidence". Ce dispositif (SPI/ACS) peut enregistrer en permanence particules et rayons gamma provenant de la quasi-totalité du ciel avec une résolution temporelle de 50 millisecondes. Dès l'alerte connue, les données de SPI/ACS ont été analysées et ont révélé un net excès de rayons gamma arrivés seulement 2 secondes après l'onde-G. Même si l'origine exacte de ce sursaut gamma, nommé GRB 170817A, ne pouvait être précisée très exactement, la bande de ciel d'où elle pouvait provenir contenait bien la région où avait été également produite l'onde-G. Philippe Laurent, astrophysicien au CEA et co-responsable de l’investigation scientifique pour INTEGRAL précise : « Nous avons observé un flash gamma durant 100 ms avec l’instrument INTEGRAL/SPI dans la gamme d’énergie de 80 keV à quelques MeV. Ce flash était en parfaite coïncidence avec le flash gamma aussi observé par l’instrument de Fermi ». C’est donc la confirmation que pour la première fois, une onde-G était accompagnée d'une émission lumineuse.
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A gauche : la région du ciel d'où provient potentiellement le sursaut gamma détecté par INTEGRAL (délimité par les lignes violettes), incluant la région de l'onde-G (GW170817) (contours surlignés en rouge). A droite, le sursaut gamma détecté (GRB170817A), survenu 2 secondes après l'émission de l'onde-G (GW170817). © INTEGRAL/ESA

  • Puis, en pointant le 18 août à 18h06 l’un des télescopes géants du VLT (Very large Telescope, au Chili) de 8m de diamètre, les astrophysiciens du CEA ont pu observer la source SSS17a. « C’est un programme pluriannuel qui a pour but de mesurer la polarisation dans le domaine visible des émissions rémanentes de sursauts gamma cosmiques. Comme un sursaut court gamma court était potentiellement associé à la source de l’onde-G, on voulait en investiguer la nature. » rapporte Diego Gotz, astrophysicien au CEA. Leurs observations permettent de suggérer que la lumière émise provient d'une partie de la matière des étoiles à neutrons éjectée lors de la fusion. Dans l'éjection, de nombreux neutrons sont libérés et cette matière très riche en neutrons génère par collisions des noyaux de plus en plus lourds. Une partie de ces noyaux sont radioactifs et instables et se désintègrent progressivement, produisant le rayonnement observé. Ce phénomène, prédit théoriquement, a été baptisé "kilonova" car il est moins lumineux que celui d'une supernova. Si la fréquence des fusions d'étoiles à neutrons est suffisamment élevée, les kilonovae pourraient être la source principale dans l'Univers des atomes lourds, comme le plomb, le platine ou l'or.
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A gauche : l'image du sondage Sloan Digital Sky montrant l'image "normale" de la galaxie elliptique NGC 4993. A droite l'image obtenue avec l'instrument FORS2 du VLT le 20 aout 2017, montrant la source transitoire SSS-17a, site origine de l'onde-G. deux jours auparavant. © SDSS –ESO

  • Les physiciens du CEA ont également analysé les données obtenues par les expériences ANTARES, un observatoire sous-marin en Méditerranée dédié à la recherche de neutrinos et H.E.S.S., un télescope situé en Namibie, capable de rechercher des rayons gamma de très hautes énergies, qui a pu être pointé en un temps record grâce aux algorithmes fournis par le CEA. Comme le note Fabian Schüssler, physicien au CEA : « Nos observations sont finalement les premières obtenues avec un télescope au sol ! » Malheureusement, l'onde GW170817 n'avait pas fourni d'émissions détectables pour ces instruments, la source étant probablement trop lointaine. 

Un impact sur les futures missions spatiales…

Cette découverte de GW170718 aura aussi un impact important sur les missions futures comme SVOM (Space-based multi-band astronomical Variable Objects Monitor), une expérience franco-chinoise développée avec la collaboration du CEA qui doit être satellisée en 2021. Les astrophysiciens peuvent démontrer aujourd'hui que, non seulement les détecteurs de SVOM auraient pu mesurer le flux de rayons X et gamma de GW170817, mais le télescope à bord en lumière visible (VT), ainsi que les télescopes robotiques de surveillance (F-GFT) associés à la mission, pourront également sans difficulté localiser la source de l'onde-G en un temps très court (quelques secondes) et réorienter automatiquement le télescope. De même, l’observatoire Cherenkov Telescope Array (CTA), actuellement en préparation, développe aussi une stratégie de recherche en temps réel à partir des alertes de sursauts gamma associées ou non à des ondes gravitationnelles.

…et un nouveau terrain d’études pour l’astrophysique

L'étude de ce phénomène nouveau, jamais observé jusqu'ici directement, offre de nombreuses perspectives pour l'astrophysique. A la différence des fusions de trous noirs, les fusions d'étoiles à neutrons sont accompagnées d'une émission de lumière observable pour par exemple localiser précisément le lieu de la fusion. L’étude de ces phénomènes nous permet également de mieux comprendre l'origine des éléments très lourds de l'univers et même mesurer de façon totalement indépendante le taux d'expansion de l'Univers.  

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