L'observatoire LIGO, dont les créateurs ont reçu le prix Nobel 2017, a déjà changé le monde de l'astronomie. Lorsque des scientifiques de la communauté scientifique internationale LIGO ont découvert les premières ondes gravitationnelles en 2016, ils ont découvert une nouvelle façon d'observer l'univers. Pour la première fois, les scientifiques ont pu «écouter» les fluctuations de l'espace-temps résultant de la collision de grands objets (par exemple, des trous noirs).
Mais ce n'était que le début. L'objectif était de combiner l'observation des ondes gravitationnelles avec des données provenant de télescopes plus conventionnels.
En octobre 2017, dans Physical Review Letters, l'équipe de scientifiques du LIGO, qui comprend plusieurs milliers de personnes à travers le monde, a publié une série d'articles sur l'incroyable découverte. Les chercheurs ont pu non seulement détecter les ondes gravitationnelles de la collision de deux étoiles à neutrons, mais aussi déterminer leurs coordonnées dans le ciel, ainsi qu'observer le phénomène à travers des télescopes optiques et électromagnétiques.
«C'est l'une des histoires les plus complètes d'un phénomène astrophysique imaginable», déclare le physicien Peter Solson de l'Université de Syracuse et membre de la communauté LIGO.
Chaque source raconte sa propre partie de l'histoire
Les ondes gravitationnelles indiquent aux physiciens la taille et la distance des objets, ce qui leur permet de recréer le moment avant leur collision. Les observations du rayonnement visible et des ondes électromagnétiques comblent alors les lacunes que les ondes gravitationnelles ne peuvent expliquer. Ils aident les astronomes à découvrir de quels objets étaient faits et quels éléments chimiques provenaient de la collision. Dans notre cas, les scientifiques ont pu conclure que l'explosion lors de la fusion des étoiles à neutrons a conduit à l'apparition d'éléments lourds - or, platine et uranium (ce qui n'était auparavant que supposé, mais ne pouvait pas être confirmé par observation directe).
Désormais, les scientifiques ont réussi à voir de leurs propres yeux l'alchimie de l'univers en action. «Je pense que l'impact de cette découverte sur la science sera plus significatif que la première détection de trous noirs au moyen d'ondes gravitationnelles», a déclaré Duncan Brown, un autre scientifique de la communauté LIGO et de l'Université de Syracuse. "De nombreux aspects de la physique et de l'astronomie sont impliqués ici." Et tout cela est le résultat d'une chasse au trésor parmi les étoiles, dans laquelle le monde entier est impliqué.
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Course contre le temps. Lieu marqué d'une croix
Le 17 août à 8h41, LIGO a détecté des ondes gravitationnelles - la courbure du temps et de l'espace - traversant la Terre. LIGO est deux observatoires en forme de L situés dans les États américains de Louisiane et de Washington. Ils peuvent enregistrer des ondes qui compressent et étirent le continuum espace-temps.
Au cours des deux dernières années, LIGO a pu détecter les ondes gravitationnelles générées par la collision de trous noirs. Mais le signal du 17 août était assez différent. Il s'est avéré être beaucoup plus fort que ce qui avait été enregistré lors de la découverte du trou noir. Le nouveau signal a duré 100 secondes, tandis que les signaux des trous noirs seulement quelques-uns. Cela signifie que la collision a eu lieu beaucoup plus près de la Terre.
Lorsque LIGO détecte des ondes gravitationnelles, il envoie automatiquement des notifications à des centaines de scientifiques à travers le monde. Duncan Brown est l'un d'entre eux. «Nous avons reçu une alerte téléphonique très rapidement et avons réalisé qu'il s'agissait d'un signal inattendu d'ondes gravitationnelles. Cela nous a choqués », se souvient-il.
Il est immédiatement devenu clair qu'il ne s'agissait pas d'une fusion de trous noirs. L'analyse initiale a montré que les ondes provenaient de la collision de deux étoiles à neutrons - des objets à très haute densité. On pense que des éléments chimiques lourds se forment à l'intérieur.
Lorsque LIGO détecte des ondes gravitationnelles provenant de trous noirs en collision, rien ne peut être vu dans le ciel: les trous noirs, comme leur nom l'indique, sont sombres. Et une collision de deux étoiles à neutrons? Le spectacle doit être comme un feu d'artifice coloré.
Sarah Wilkinson / Observatoire Las Campanas
Et c'est ce qui s'est passé: deux secondes après le signal LIGO, le télescope spatial Fermi de la NASA a détecté un sursaut gamma - l'un des sursauts d'énergie explosive les plus puissants de l'Univers que nous connaissions. Pendant longtemps, les astronomes ont construit des théories selon lesquelles la fusion d'étoiles à neutrons peut provoquer des sursauts gamma. Et maintenant, ça ne pouvait pas être une coïncidence.
Dans le même temps, la lumière d'une fusion aussi explosive diminue rapidement. Le décompte a duré quelques minutes et les scientifiques de la communauté scientifique internationale LIGO ont été contraints de se dépêcher. «Plus vous accédez rapidement au télescope, plus vous obtenez d'informations», déclare Brown. En étudiant la lumière et ses changements, les scientifiques peuvent glaner une mine d'informations qui les aideront à mieux comprendre les étoiles à neutrons et comment elles fusionnent la matière.
Brown et ses collègues se sont mis au travail, organisant des téléconférences avec des dizaines de scientifiques du monde entier. L'équipe LIGO a travaillé avec des partenaires de VIRGO, un observatoire italien des ondes gravitationnelles, pour travailler avec des efforts redoublés pour cartographier le ciel et localiser la source des ondes gravitationnelles. Ils ont réduit leur recherche à une zone de la taille d'un poing à bout de bras. (D'un point de vue astronomique, même cette zone est un espace énorme. Un morceau de carte avec une tête d'allumette à bout de bras peut contenir des milliers de galaxies.) Le détecteur VIRGO en Italie n'a pas réussi à capter un signal, ce qui a aidé à déterminer la position des étoiles. VIRGO a des zones de non réception, donc les étoiles à neutrons auraient dû être situées près de l'une d'elles.
Cette carte du ciel est le résultat de la combinaison d'informations de Fermi, LIGO, VIRGO et Integral (un autre observatoire à rayons gamma). Chaque détecteur offrait une zone dans laquelle un signal pouvait se produire. Là où ils se chevauchaient, l'endroit marqué d'une croix sur la carte des trésors cosmiques était indiqué.
Carte en main, l'équipe du LIGO a envoyé des courriels aux astronomes du monde entier qui pourraient explorer cette région du ciel à la tombée de la nuit.
Et la chance ne leur a pas échappé! Plusieurs observatoires au sol ont pu détecter la position du kilon (ou macron) - une explosion de la collision de deux étoiles à neutrons. La photo de gauche montre ce que les astronomes ont capturé lors de la soirée d'ouverture. Sur la droite, c'est à quoi il ressemblait quelques jours plus tard. L'explosion s'est atténuée sensiblement.
1M2H / UC Santa Cruz et Observatoire Carnegie / Ryan Foley
Voici à quoi ressemblait la galaxie quelques semaines avant la formation du kilonova (image du haut). L'image du bas montre une explosion.
La collaboration GW-EM de Dark Energy Camera et la collaboration DES / Berger
Les images peuvent sembler floues, mais elles contiennent une tonne d'informations. Avec des coordonnées précises, les scientifiques peuvent régler le télescope spatial Hubble et l'observatoire à rayons X Chandra Space pour faire exploser un kilonova. Avec l'aide de ces outils, les astronomes pourront regarder le processus de l'univers d'un seul œil.
Comment les étoiles à neutrons en collision créent de l'or
Les étoiles à neutrons sont des corps cosmiques inhabituels. Ils sont formés à la suite de l'effondrement gravitationnel d'étoiles (par exemple, lors d'explosions de supernova) et ont une densité très élevée. Imaginez un objet avec une masse comme le Soleil, mais seulement 25 kilomètres de diamètre. Cela représente 333 000 masses de la Terre entière, compressées en une boule de la taille du district central de Moscou. La pression à l'intérieur est si énorme que seuls les neutrons (protons fusionnés avec des électrons) peuvent y exister.
Dans une galaxie éloignée de 130 millions d'années-lumière, deux de ces objets «dansaient» l'un autour de l'autre, se déplaçant en orbite et se rapprochant de plus en plus. Ils sont entrés en collision et l'énergie libérée à travers l'Univers a envoyé une onde qui déforme le temps et l'espace, et un flux de particules (un sursaut gamma détecté avec des ondes gravitationnelles). Les ondes gravitationnelles et les rayons gamma se déplaçaient à la vitesse de la lumière. Ceci est une autre preuve de la théorie générale de la relativité d'Albert Einstein. Il est possible qu'après la fusion, les étoiles à neutrons aient formé un nouveau trou noir, car elles avaient une masse suffisante. Cependant, il n'y a pas encore suffisamment d'informations pour une déclaration sans ambiguïté.
V. Castown / T. Kawamura / B. Giacomazzo / R. Cholfi / A. Endrzzi
Mais une chose peut déjà être dite avec certitude: après l'explosion, bon nombre des neutrons restants se sont combinés et ont formé des éléments chimiques.
Nous tous et chaque élément de la Terre sommes constitués d'étoiles. À la suite du Big Bang au début des temps, des éléments très légers se sont formés - l'hydrogène et l'hélium. Ces éléments se sont combinés pour former des étoiles à l'intérieur desquelles, lors des réactions de fusion, des éléments de masse de plus en plus grande sont apparus.
Lorsque les étoiles sont devenues supernova (effondrement et explosion ultérieure), des éléments encore plus lourds ont été créés. Cependant, selon Brown, l'apparition de l'or et du platine est depuis longtemps un mystère. Même les explosions de supernova ne sont pas assez puissantes pour les créer.
Il y a eu des théories selon lesquelles une étoile kilon (formée par la fusion de deux étoiles à neutrons) est capable de produire ces métaux. Et comme les astronomes ont pu déterminer en temps opportun le lieu de la fusion, ils ont confirmé cette théorie. La couleur et la qualité de la lumière laissée après l'explosion ont confirmé la formation d'or et de platine. Les scientifiques semblent avoir regardé l'alchimie en action.
«L'or sur Terre a été créé après une explosion nucléaire résultant d'une fusion [d'étoiles à neutrons]», explique Brown. - Maintenant, j'ai une alliance en platine au doigt. Pensez simplement, il est apparu à cause de la collision d'étoiles à neutrons!
Une nouvelle ère de l'astronomie approche
La découverte décrite marque le début d'une nouvelle ère en astronomie. Les scientifiques pourront étudier les corps célestes non seulement à l'aide de la lumière et des radiations qu'ils émettent, mais aussi de combiner ces observations avec les informations obtenues lors de l'analyse des ondes gravitationnelles. Ces informations contiennent comment les deux étoiles à neutrons se sont déplacées l'une autour de l'autre lorsque la collision s'est produite, ainsi qu'un énorme corpus d'informations sur ses conséquences.
Sur la droite - visualisation de la substance des étoiles à neutrons. Sur la gauche - distorsion de l'espace-temps à proximité d'explosions. Karan Janey / Institut de technologie de Géorgie
La combinaison de toutes les sources d'information est appelée astronomie multicanal, c'est-à-dire astronomie basée sur l'addition d'observations du spectre électromagnétique avec des observations d'ondes gravitationnelles. C'est le rêve des scientifiques du LIGO depuis la création de l'observatoire.
«Imaginez vivre dans une pièce sans fenêtre et tout ce que vous pouvez faire est d'entendre le tonnerre mais pas de voir la foudre», explique Vicki Kalogera, astrophysicienne à la Northwestern University et membre de la communauté LIGO. - Imaginez maintenant que vous avez été déplacé dans une pièce avec une fenêtre. À partir de maintenant, vous entendez non seulement le tonnerre, mais aussi la foudre. La foudre offre une toute nouvelle opportunité d'étudier les orages et de comprendre ce qui se passe réellement."
Les ondes gravitationnelles sont le tonnerre. Observer les explosions à travers un télescope - la foudre.
Il y a à peine un mois, les trois fondateurs de LIGO ont reçu le prix Nobel de physique pour leur travail de pionnier. Comme l'a observé Ed Young de The Atlantic, l'attribution du prix à trois des centaines de personnes qui ont apporté une contribution significative au projet LIGO crée une situation délicate et controversée. Cependant, des résultats récents montrent que le prix du travail scientifique était bien mérité.
La meilleure chose à propos de l'observation des ondes gravitationnelles est que le processus est passif. LIGO et VIRGO "entendront" toutes les ondes gravitationnelles passant par la Terre le même jour. Chaque signal marque le début d'une nouvelle recherche de «trésors», car les scientifiques ont besoin de comprendre ce qui a créé les fluctuations de l'espace-temps.
Les astronomes espèrent voir plus de fusions de trous noirs et d'étoiles à neutrons. Mais des phénomènes encore plus intéressants peuvent être découverts. Si les observatoires LIGO et VIRGO continuent de s'améliorer, il est possible qu'il soit possible de détecter les ondes gravitationnelles laissées par le Big Bang. Ou, plus excitant, ces observatoires seront capables de détecter des sources d'ondes gravitationnelles qui étaient auparavant inconnues et ne pouvaient pas prédire.
«J'étais triste d'être né après le premier atterrissage habité sur la lune», a déclaré Thomas Corbitt, physicien et membre de la communauté LIGO à la Louisina State University. - Mais quand on devient témoin d'événements comme ceux-ci, qui témoignent du grand succès des activités conjointes, l'inspiration apparaît. Ils nous donnent plus de connaissances sur l'Univers."
L'article original en anglais est disponible ici.
