Martin Rees a dit un jour: «Il devient clair que, dans un sens, l'espace est le seul laboratoire qui réussit à créer des conditions extrêmes pour tester de nouvelles idées issues de la physique des particules. Les énergies du Big Bang étaient bien plus élevées que ce que nous pouvons atteindre sur Terre. Donc, en recherchant des preuves du Big Bang et en étudiant des choses comme les étoiles à neutrons, nous étudions en fait la physique fondamentale."
S'il y a une différence significative entre la relativité générale et la gravité newtonienne, c'est bien celle-ci: dans la théorie d'Einstein, rien ne dure éternellement. Même si vous aviez deux masses absolument stables en orbite l'une autour de l'autre - des masses qui ne brûleraient jamais, ne perdraient jamais de matière ou ne changeraient jamais - leurs orbites se désintégreraient progressivement. Et si, dans la gravité newtonienne, deux masses tournent pour toujours autour d'un centre de gravité commun, la relativité générale nous dit qu'une petite quantité d'énergie est perdue chaque fois que la masse est accélérée par le champ gravitationnel par lequel elle passe. Cette énergie ne disparaît pas, mais est emportée sous forme d'ondes gravitationnelles. Sur des périodes de temps suffisamment longues, suffisamment d'énergie sera rayonnée pour que les deux masses rotatives se touchent et fusionnent. LIGO l'a déjà observé trois fois avec des trous noirs. Mais il est peut-être temps de passer à l'étape suivante et de voir la première fusion d'étoiles à neutrons, déclare Ethan Siegel de Medium.com.
Toute masse prise dans cette danse gravitationnelle émettra des ondes gravitationnelles, provoquant une perturbation de l'orbite. Il y a trois raisons pour lesquelles LIGO a découvert les trous noirs:
1. Ils sont incroyablement massifs
2. Ce sont les objets les plus compacts de l'univers
3. Au dernier moment de la fusion, ils ont tourné à la bonne fréquence pour pouvoir être fixés par les bras laser LIGO
Tout cela ensemble - grandes masses, courtes distances et la bonne plage de fréquences - donne à l'équipe LIGO une vaste zone de recherche dans laquelle ils peuvent tâtonner pour des fusions de trous noirs. Les ondulations de ces danses massives s'étendent sur plusieurs milliards d'années-lumière et atteignent même la Terre.
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Bien que les trous noirs doivent avoir un disque d'accrétion, les signaux électromagnétiques que les trous noirs sont censés générer restent insaisissables. Si la partie électromagnétique du phénomène est présente, elle doit être produite par des étoiles à neutrons.
L'univers possède de nombreux autres objets intéressants qui produisent de grandes ondes gravitationnelles. Les trous noirs supermassifs au centre des galaxies dévorent en permanence les nuages de gaz, les planètes, les astéroïdes et même d'autres étoiles et trous noirs. Malheureusement, parce que leurs horizons d'événements sont si vastes, ils se déplacent extrêmement lentement en orbite et donnent la mauvaise plage de fréquences à détecter par LIGO. Les naines blanches, les étoiles binaires et les autres systèmes planétaires ont le même problème: ces objets sont physiquement trop grands et donc en orbite trop longue. Si longtemps que nous aurions besoin d'un observatoire spatial des ondes gravitationnelles pour les voir. Mais il y a un autre espoir qui a la bonne combinaison de caractéristiques (masse, compacité, bonne fréquence) pour être vu par LIGO: la fusion des étoiles à neutrons.
Alors que deux étoiles à neutrons tournent en orbite, la théorie générale de la relativité d'Einstein prédit la désintégration orbitale et le rayonnement gravitationnel. Dans les dernières étapes d'une fusion - qui n'a jamais été vue dans les ondes gravitationnelles - l'amplitude sera à son apogée et LIGO sera en mesure de détecter l'événement.
Les étoiles à neutrons ne sont pas aussi massives que les trous noirs, mais elles peuvent probablement être deux à trois fois plus massives que le Soleil: environ 10 à 20% de la masse des événements LIGO précédemment détectés. Ils sont presque aussi compacts que les trous noirs, avec une taille physique de seulement dix kilomètres de rayon. Malgré le fait que les trous noirs s'effondrent à une singularité, ils ont un horizon d'événements, et la taille physique d'une étoile à neutrons (essentiellement juste un noyau atomique géant) n'est pas beaucoup plus grande que l'horizon des événements d'un trou noir. Leur fréquence, en particulier dans les dernières secondes de la fusion, est excellente pour la sensibilité du LIGO. Si l'événement se produit au bon endroit, nous pouvons apprendre cinq faits incroyables.
Au cours de la torsion et de la fusion en spirale de deux étoiles à neutrons, une énorme quantité d'énergie doit être libérée, ainsi que des éléments lourds, des ondes gravitationnelles et un signal électromagnétique, comme le montre l'image.
Les étoiles à neutrons créent-elles vraiment des sursauts gamma?
Il y a une idée intéressante: les courts sursauts gamma, qui sont incroyablement énergétiques mais durent moins de deux secondes, sont causés par la fusion d'étoiles à neutrons. Ils proviennent d'anciennes galaxies dans des régions où aucune nouvelle étoile n'est née, ce qui signifie que seuls les cadavres stellaires peuvent les expliquer. Mais tant que nous ne savons pas comment apparaît le sursaut gamma court, nous ne pouvons pas être sûrs de sa cause. Si LIGO peut détecter la fusion d'étoiles à neutrons à partir d'ondes gravitationnelles, et que nous pouvons voir un court sursaut gamma immédiatement après cela, ce sera la confirmation finale de l'une des idées les plus intéressantes de l'astrophysique.
Les deux étoiles à neutrons qui fusionnent, comme indiqué ici, tourbillonnent et émettent des ondes gravitationnelles, mais sont plus difficiles à détecter que les trous noirs. Cependant, contrairement aux trous noirs, ils doivent éjecter une partie de leur masse dans l'Univers, où ils y contribueront sous forme d'éléments lourds.
Lorsque les étoiles à neutrons entrent en collision, quelle part de leur masse ne devient pas un trou noir?
Lorsque vous regardez les éléments lourds du tableau périodique et que vous vous demandez comment ils sont nés, une supernova vous vient à l'esprit. Après tout, cette histoire est détenue par des astronomes et est en partie vraie. Mais la plupart des éléments lourds du tableau périodique sont le mercure, l'or, le tungstène, le plomb, etc. - né dans des collisions d'étoiles à neutrons. La majeure partie de la masse des étoiles à neutrons, de l'ordre de 90 à 95%, va créer un trou noir au centre, mais les couches externes restantes sont éjectées, formant la plupart de ces éléments dans notre galaxie. Il est à noter que si la masse combinée de deux étoiles à neutrons qui fusionnent tombe en dessous d'un certain seuil, elles formeront une étoile à neutrons, pas un trou noir. C'est rare, mais pas impossible. Et nous ne savons pas exactement combien de masse est jetée lors d'un tel événement. Si LIGO enregistre un tel événement, nous le saurons.
Il illustre la gamme d'Advanced LIGO et sa capacité à détecter les fusions de trous noirs. Les étoiles à neutrons qui fusionnent ne peuvent tomber que dans un dixième de la plage et avoir 0,1% du volume habituel, mais s'il y a beaucoup d'étoiles à neutrons, LIGO trouvera.
Jusqu'où LIGO peut-il voir la fusion des étoiles à neutrons?
Cette question ne concerne pas l'univers lui-même, mais plutôt la sensibilité du design LIGO. Dans le cas de la lumière, si l'objet est 10 fois plus éloigné, il sera 100 fois plus faible; mais avec les ondes gravitationnelles, si l'objet est 10 fois plus éloigné, le signal d'onde gravitationnelle ne sera que 10 fois plus faible. LIGO peut observer des trous noirs à plusieurs millions d'années-lumière, mais les étoiles à neutrons ne seront visibles que si elles fusionnent dans des amas galactiques proches. Si nous assistons à une telle fusion, nous pouvons vérifier la qualité de notre matériel ou la qualité de celui-ci.
Lorsque deux étoiles à neutrons fusionnent, comme indiqué ici, elles devraient créer des jets de rayons gamma, ainsi que d'autres phénomènes électromagnétiques qui, si la Terre est proche, seront discernables par nos meilleurs observatoires.
Quel genre de rémanence subsiste après une fusion d'étoiles à neutrons?
On sait, dans certains cas, que des événements forts correspondant à des collisions d'étoiles à neutrons se sont déjà produits et qu'ils laissent des signatures dans d'autres bandes électromagnétiques. En plus des rayons gamma, il peut y avoir des composants ultraviolets, optiques, infrarouges ou radio. Ou ce pourrait être un composant multispectral apparaissant dans les cinq bandes, dans cet ordre. Lorsque LIGO détecte une fusion d'étoiles à neutrons, nous pourrions capturer l'un des phénomènes les plus étonnants de la nature.
Une étoile à neutrons, bien que composée de particules neutres, produit les champs magnétiques les plus puissants de l'univers. Lorsque les étoiles à neutrons fusionnent, elles devraient produire à la fois des ondes gravitationnelles et des signatures électromagnétiques.
Pour la première fois, nous pourrons combiner l'astronomie des ondes gravitationnelles avec les
Les événements précédents capturés par LIGO étaient impressionnants, mais nous n'avons pas eu l'occasion d'observer ces fusions à travers un télescope. Nous avons inévitablement fait face à deux facteurs:
- Les positions des événements ne peuvent pas être déterminées avec précision avec seulement deux détecteurs, en principe
- Les fusions de trous noirs n'ont pas de composante électromagnétique (lumière) brillante
Maintenant que VIRGO fonctionne en synchronisation avec deux détecteurs LIGO, nous pouvons considérablement améliorer notre compréhension de l'endroit où ces ondes gravitationnelles sont générées dans l'espace. Mais plus important encore, puisque la fusion des étoiles à neutrons doit avoir une composante électromagnétique, cela pourrait signifier que pour la première fois l'astronomie des ondes gravitationnelles et l'astronomie traditionnelle seront utilisées ensemble pour observer le même événement dans l'univers!
La torsion en spirale et la fusion de deux étoiles à neutrons, comme indiqué ici, devraient entraîner un signal d'onde gravitationnelle spécifique. Aussi, le moment de la fusion doit créer un rayonnement électromagnétique, unique et identifiable en soi.
Nous sommes déjà entrés dans une nouvelle ère de l'astronomie, où nous utilisons non seulement des télescopes, mais aussi des interféromètres. Nous utilisons non seulement la lumière, mais aussi les ondes gravitationnelles pour voir et comprendre l'univers. Si une fusion d'étoiles à neutrons apparaît dans LIGO, même si c'est rare, et que le taux de détection est faible, nous franchirons la frontière suivante. Le ciel gravitationnel et le ciel de lumière ne seront plus étrangers l'un à l'autre. Nous serons un pas de plus vers la compréhension du fonctionnement des objets les plus extrêmes de l'Univers, et nous aurons une fenêtre sur notre espace que personne n'a jamais eue auparavant.
Ilya Khel
