Les scientifiques ont pour la première fois de l'histoire enregistré des ondes gravitationnelles de la fusion de deux étoiles à neutrons - des objets superdenses avec une masse de notre Soleil et la taille de Moscou. Le sursaut gamma résultant et le sursaut kilonova ont été observés par environ 70 observatoires au sol et dans l'espace - ils ont pu voir le processus de synthèse d'éléments lourds, y compris l'or et le platine, prédit par les théoriciens, et confirment l'exactitude des hypothèses sur la nature des mystérieux sursauts gamma courts, a rapporté le service de presse de la collaboration. LIGO / Virgo, Observatoire européen austral et observatoire de Los Cumbres. Les résultats d'observation peuvent éclairer le mystère de la structure des étoiles à neutrons et de la formation d'éléments lourds dans l'Univers.
Le matin du 17 août 2017 (à 8 h 41, heure de la côte est des États-Unis, alors qu'il était 15 h 41 à Moscou), les systèmes automatiques de l'un des deux détecteurs de l'observatoire d'ondes gravitationnelles LIGO ont enregistré l'arrivée d'une onde gravitationnelle depuis l'espace. Le signal a reçu la désignation GW170817, il s'agissait du cinquième cas de fixation des ondes gravitationnelles depuis 2015, depuis leur premier enregistrement. À peine trois jours plus tôt, l'observatoire du LIGO a «entendu» pour la première fois une onde gravitationnelle avec le projet européen Virgo.
Cependant, cette fois, à peine deux secondes après l'événement gravitationnel, le télescope spatial Fermi a détecté un sursaut gamma dans le ciel sud. Presque au même moment, l'observatoire spatial euro-russe INTEGRAL a vu l'épidémie.
Les systèmes d'analyse automatique des données de l'observatoire LIGO ont conclu que la coïncidence de ces deux événements est extrêmement improbable. Lors de la recherche d'informations complémentaires, il a été découvert que l'onde gravitationnelle était vue par le deuxième détecteur LIGO, ainsi que par l'observatoire gravitationnel européen Virgo. Les astronomes du monde entier étaient "en état d'alerte" - la recherche de la source des ondes gravitationnelles et des sursauts gamma a commencé de nombreux observatoires, y compris l'Observatoire européen austral et le télescope spatial Hubble.
Modification de la luminosité et de la couleur du kilonova après l'explosion.
La tâche n'a pas été facile - les données combinées de LIGO / Virgo, Fermi et INTEGRAL nous ont permis de délimiter une aire de 35 degrés carrés - c'est une aire approximative de plusieurs centaines de disques lunaires. Seulement 11 heures plus tard, le petit télescope Swope avec un miroir d'un mètre situé au Chili a pris la première photo de la source présumée - elle ressemblait à une étoile très brillante à côté de la galaxie elliptique NGC 4993 dans la constellation Hydra. Au cours des cinq jours suivants, la luminosité de la source a chuté 20 fois et la couleur est progressivement passée du bleu au rouge. Pendant tout ce temps, l'objet a été observé par de nombreux télescopes dans les gammes allant des rayons X aux infrarouges, jusqu'à ce qu'en septembre la galaxie était trop proche du Soleil et devienne inaccessible pour l'observation.
Les scientifiques ont conclu que la source de l'épidémie était située dans la galaxie NGC 4993 à une distance d'environ 130 millions d'années-lumière de la Terre. C'est incroyablement proche, jusqu'à présent, les ondes gravitationnelles nous sont parvenues à des distances de milliards d'années-lumière. Grâce à cette proximité, nous avons pu les entendre. La source de l'onde était la fusion de deux objets avec des masses comprises entre 1,1 et 1,6 masse solaire - il ne pouvait s'agir que d'étoiles à neutrons.
Photo de la source des ondes gravitationnelles - NGC 4993, avec un flash au centre.
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La rafale elle-même "sonna" pendant très longtemps - environ 100 secondes, la fusion des trous noirs donna des rafales d'une fraction de seconde. Une paire d'étoiles à neutrons tournait autour d'un centre de masse commun, perdant progressivement de l'énergie sous forme d'ondes gravitationnelles et convergeant. Lorsque la distance entre eux a été réduite à 300 kilomètres, les ondes gravitationnelles sont devenues suffisamment puissantes pour atteindre la zone de sensibilité des détecteurs gravitationnels LIGO / Virgo. Lorsque deux étoiles à neutrons fusionnent en un seul objet compact (étoile à neutrons ou trou noir), une puissante explosion de rayonnement gamma se produit.
Les astronomes appellent ces sursauts gamma des sursauts gamma courts; les télescopes gamma les enregistrent environ une fois par semaine. Si la nature des GRB longs est plus compréhensible (leurs sources sont des explosions de supernovae), il n'y a pas eu de consensus sur les sources de courtes rafales. Il y avait une hypothèse selon laquelle ils seraient générés par des fusions d'étoiles à neutrons.
Désormais, les scientifiques ont pu confirmer cette hypothèse pour la première fois, car grâce aux ondes gravitationnelles, nous connaissons la masse des composants fusionnés, ce qui prouve qu'il s'agit précisément d'étoiles à neutrons.
«Depuis des décennies, nous soupçonnons que les GRB courts génèrent des fusions d'étoiles à neutrons. Maintenant, grâce aux données de LIGO et de la Vierge sur cet événement, nous avons une réponse. Les ondes gravitationnelles nous disent que les objets fusionnés avaient des masses correspondant à des étoiles à neutrons, et le sursaut gamma nous dit que ces objets pourraient difficilement être des trous noirs, car la collision de trous noirs ne devrait pas générer de rayonnement », explique Julie McEnery, chargée de projet au Centre Fermi. vol spatial de la NASA nommé Goddard.
En outre, pour la première fois, les astronomes ont reçu une confirmation sans équivoque de l'existence de fusées éclairantes kilons (ou "macron"), qui sont environ 1000 fois plus puissantes que les torches nova conventionnelles. Les théoriciens ont prédit que les kilonov pourraient résulter de la fusion d'étoiles à neutrons ou d'une étoile à neutrons et d'un trou noir.
Cela déclenche la synthèse d'éléments lourds, basée sur la capture de neutrons par des noyaux (processus r), à la suite de laquelle de nombreux éléments lourds tels que l'or, le platine ou l'uranium sont apparus dans l'Univers.
Selon les scientifiques, avec une explosion de kilonova, une énorme quantité d'or peut se produire - jusqu'à dix fois la masse de la lune. Jusqu'à présent, un seul événement a été observé qui pourrait être une explosion de kilonova.
Désormais, les astronomes ont pu observer pour la première fois non seulement la naissance de la kilonova, mais aussi les produits de son «travail». Les spectres obtenus avec les télescopes Hubble et VLT (Very Large Telescope) ont montré la présence de césium, tellure, or, platine et autres éléments lourds formés à partir de la fusion d'étoiles à neutrons.
«Jusqu'à présent, les données que nous avons reçues sont en excellent accord avec la théorie. C'est un triomphe pour les théoriciens, une confirmation de la réalité absolue des événements enregistrés par les observatoires LIGO et VIrgo, et une réalisation remarquable de l'ESO pour obtenir de telles observations du kilonova », déclare Stefano Covino, le premier auteur d'un article dans Nature Astronomy.
Les scientifiques n'ont pas encore de réponse à la question de savoir ce qui reste après la fusion des étoiles à neutrons - il peut s'agir d'un trou noir ou d'une nouvelle étoile à neutrons. De plus, il n'est pas tout à fait clair pourquoi le sursaut gamma était relativement faible.
Les ondes gravitationnelles sont des ondes d'oscillation de la géométrie de l'espace-temps, dont l'existence a été prédite par la théorie générale de la relativité. Pour la première fois, la collaboration LIGO a annoncé sa détection fiable en février 2016 - 100 ans après les prédictions d'Einstein.
Alexandre Voytyuk
