Les ondulations dans l'espace-temps, créées par un cataclysme stellaire dans une galaxie lointaine, aident à expliquer les origines cosmiques de l'or et à tracer la voie d'une nouvelle ère en astronomie, en observant le spectre électromagnétique et les ondes gravitationnelles.
Le début d'une nouvelle ère en astronomie et en physique a été annoncé lundi par des scientifiques qu'ils avaient détecté pour la première fois des ondulations dans l'espace-temps, appelées ondes gravitationnelles, formées par la collision de deux étoiles à neutrons. Le 17 août, ces ondes spatiales ont atteint la Terre dans la région de l'océan Indien et ont été enregistrées par deux stations de détection de l'Observatoire américain des ondes gravitationnelles interférométriques laser (LIGO) et du détecteur européen Virgo situé en Italie.
C'est la cinquième fois en deux ans que des scientifiques enregistrent de telles vagues. Einstein a été le premier à prédire ce phénomène, l'ayant fait il y a plus de 100 ans. Et cette année, trois dirigeants du LIGO ont reçu le prix Nobel de physique pour leurs découvertes dans le domaine des ondes gravitationnelles.
Cependant, toutes les ondes gravitationnelles observées précédemment provenaient de la fusion des trous noirs. Ces trous noirs sont si denses qu'ils ne libèrent pas de lumière. Par conséquent, une telle fusion de trous noirs est essentiellement impossible à détecter avec des télescopes conventionnels, malgré les ondes gravitationnelles incroyablement puissantes qu'ils génèrent dans les derniers instants de leur spirale de mort frénétique. Sans un plus grand réseau d'observatoires d'ondes gravitationnelles, les astronomes sont incapables de localiser exactement les trous noirs qui fusionnent, encore moins de les étudier et de les analyser en profondeur.
La fusion des étoiles à neutrons, cependant, commence par des objets qui peuvent être très légers par rapport aux trous noirs. Une étoile à neutrons est le noyau hautement compressé d'une étoile massive expirée, et elle se forme après une explosion de supernova. Son champ gravitationnel est suffisamment puissant pour presser et détruire une matière aussi grande que le Soleil entier, la transformant en une sphère de neutrons de la taille d'une grande ville. Ainsi, ce n'est pas une étoile au sens habituel du terme, mais plutôt un noyau d'atome de la taille de Manhattan. Cependant, la force gravitationnelle d'une étoile à neutrons est encore trop petite pour retenir la lumière, et par conséquent, un éclair de la collision de deux de ces étoiles peut pénétrer dans l'espace, créant non seulement des ondes gravitationnelles, mais également l'un des feux d'artifice les plus brillants de l'Univers que quiconque puisse voir.
Dans ce cas, lorsque l'impulsion initiale des ondes gravitationnelles signalait le début de la fusion, le feu d'artifice consistait en une rafale de rayonnement gamma de deux secondes et une rémanence de différentes longueurs d'onde qui a duré plusieurs semaines. Presque tous les astronomes et physiciens de notre planète qui étaient au courant de cet événement faisaient partie de «quiconque le souhaite». La chercheuse du projet Julie McEnery, travaillant avec le télescope à rayons gamma Fermi, qui a enregistré une rafale de rayons gamma, a qualifié le 17 août de "matin le plus merveilleux des neuf années du télescope".
Les astronomes travaillant avec des physiciens sur le télescope LIGO et Virgo ont prêté serment de secret. Cependant, un très grand nombre d'observations à travers le monde a inévitablement conduit à la propagation de rumeurs, qui sont désormais confirmées. Il s'agit d'une campagne mondiale pour surveiller la collision et ses conséquences. L'explosion de nouvelles observations et l'émergence de nouvelles théories après la collision est l'exemple le plus frappant de l'astronomie des ondes gravitationnelles. C'est une nouvelle branche de la science qui recueille des données et étudie la lumière, les ondes gravitationnelles et les particules subatomiques des cataclysmes astrophysiques.
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Dans le même temps, un grand nombre d'articles ont été publiés dans plusieurs revues scientifiques, dont les auteurs ont relié les événements récents à une grande variété de phénomènes et ont proposé de nouvelles idées dans une variété de domaines, de la physique nucléaire fondamentale à l'évolution de l'Univers. Entre autres, cette fusion a permis aux observateurs de retracer l'origine d'un trou noir, qui aurait pu se former lors de la collision d'étoiles à neutrons. Mais une découverte est littéralement brillante. C'est une preuve irréfutable qu'une fusion d'étoiles à neutrons est un creuset cosmique dans lequel apparaissent les éléments lourds de notre univers, notamment l'uranium, le platine et l'or.
Ainsi, cela en dit long sur le fait que la matière radioactive dans un réacteur nucléaire, le pot catalytique de votre voiture et le métal précieux de votre alliance sont le résultat de la collision des étoiles les plus petites, les plus denses et les plus exotiques de notre univers, ou du moins la partie d'entre eux qui peut s'échapper des trous noirs formés à la suite de la fusion. Cette découverte permettra de résoudre le débat en cours sur l'origine cosmique des éléments lourds, dans lequel les théoriciens se sont engagés depuis plus d'un demi-siècle. La plupart de l'hydrogène et de l'hélium de notre univers sont apparus dans les premiers instants après le big bang. Et la plupart des éléments légers, tels que l'oxygène, le carbone, l'azote, etc., ont été formés par fusion nucléaire dans les étoiles. Mais la question de l'origine des éléments les plus lourds n'a pas encore été résolue.
«Nous sommes tombés sur une mine d'or! dit Laura Cadonati, astrophysicienne au Georgia Institute of Technology et attachée de presse adjointe du LIGO. - En fait, nous avons d'abord découvert le phénomène des ondes gravitationnelles et électromagnétique comme un seul événement astrophysique. Les ondes de gravité nous racontent l'histoire de ce qui s'est passé avant le cataclysme. Le rayonnement électromagnétique raconte ce qui s'est passé après. Bien que ce ne soient pas des conclusions définitives, dit Kadonati, l'analyse des ondes gravitationnelles de ce phénomène au fil du temps aidera à révéler les détails de la façon dont la matière est «éclaboussée» à l'intérieur des étoiles à neutrons lors de la fusion, et les scientifiques auront de nouvelles opportunités d'étudier ces objets étranges, ainsi que de découvrir quelle taille ils peuvent atteindre avant de s'effondrer et de devenir un trou noir. Kadonati note également qu'il y a eu une sorte de retard mystérieux de quelques secondes entre la fin de l'explosion de l'onde gravitationnelle et le début du rayonnement gamma. C'est peut-être la période pendant laquelle l'intégrité structurelle des étoiles à neutrons en fusion a résisté pendant une courte période à l'effondrement inévitable.
De nombreux chercheurs attendaient depuis longtemps cette découverte révolutionnaire. «Mes rêves sont devenus réalité», déclare l'astrophysicien Szabolcs Marka de l'Université de Columbia et membre de l'équipe de recherche du LIGO. À la fin des années 90, cet homme est devenu un adepte de l'astronomie des ondes gravitationnelles, complété par des observations du spectre électromagnétique. Au cours de ces années, se souvient Mark, il était considéré comme un fou qui essayait de se préparer à de futures observations d'ondes gravitationnelles, bien qu'il y ait encore plusieurs décennies avant la découverte directe de ce phénomène. «Maintenant, mes collègues et moi nous sentons vengés», dit-il. «Nous avons étudié ce système d'étoiles à neutrons en collision dans un ensemble très diversifié de signaux. Nous l'avons vu dans les ondes gravitationnelles, dans les rayons gamma, dans la lumière ultraviolette, dans la lumière visible et infrarouge,et aussi dans les rayons X et les ondes radio. C'est la révolution et l'évolution de l'astronomie sur lesquelles j'avais mis mes espoirs il y a 20 ans."
France Córdova, directrice de la National Science Foundation, l'agence fédérale fournissant l'essentiel du financement du LIGO, a déclaré que la dernière réalisation était un "moment historique dans la science" et qu'elle avait été rendue possible grâce au soutien gouvernemental soutenu et de longue date de nombreux observatoires astrophysiques. … «La détection des ondes de gravité, du premier signal vibrosismique court entendu dans le monde au dernier signal plus long, justifie non seulement l'investissement risqué mais gratifiant de la National Science Foundation, mais nous pousse également à faire plus dans cette direction, dit Cordova. - J'espère que NSF continuera à soutenir les innovateurs et les innovations,qui transformera nos connaissances et inspirera les générations à venir.
Quelle belle opportunité
Lorsque les ondes gravitationnelles initiales de la fusion ont été détectées, suivies des rayons gamma (immédiatement détectés par les scientifiques utilisant le télescope Fermi et les télescopes spatiaux INTEGRAL), une course a commencé à découvrir quelle était la source de la collision dans l'espace, ainsi que sa rémanence. Très rapidement, de nombreuses équipes de scientifiques ont orienté leurs télescopes existants vers cette partie du ciel où, selon les calculs des chercheurs avec LIGO et Virgo, la source aurait dû être. C'était une zone de ciel de 31 degrés carrés, contenant des centaines de galaxies. (Si seulement l'observatoire LIGO était utilisé, a déclaré Kadonati, ces observations seraient similaires à la recherche de l'anneau d'or se trouvant au fond de l'océan Pacifique. Mais avec le troisième point de données de la Vierge, dit-elle, les chercheurs ont pu calculer l'emplacement de la source.et en conséquence, les observations sont devenues plus comme «la recherche de l'anneau d'or en Méditerranée».)
L'essentiel des observations a été réalisé par les scientifiques des observatoires chiliens. Ils ont commencé leur travail immédiatement après le coucher du soleil, lorsque la partie souhaitée du ciel est sortie de l'horizon. Différentes équipes de scientifiques ont utilisé une grande variété de stratégies de recherche. Quelqu'un a simplement effectué une observation continue d'une section du ciel, se déplaçant méthodiquement d'un côté à l'autre; quelqu'un ciblait les galaxies dans lesquelles les étoiles à neutrons étaient les plus susceptibles de fusionner. En fin de compte, la deuxième stratégie s'est avérée gagnante.
Le premier à voir la rémanence optique était un doctorant et chercheur à l'Université de Californie à Santa Cruz, Charles Kilpatrick. Il s'est assis à son bureau dans son bureau et a regardé à travers des images de certaines galaxies, après avoir reçu une mission de l'un de ses collègues astronomes Ryan Foley, qui a aidé à organiser le projet. La neuvième image qu'il a commencé à étudier était une photographie qui a été capturée à la hâte et transmise par des collègues de l'autre côté du monde travaillant sur l'immense télescope Swope à l'observatoire de Las Campanas au Chili. C'est là-dessus qu'il a vu ce que tout le monde cherchait: un point bleu vif au centre d'une galaxie elliptique géante, qui est un amas de vieilles étoiles rouges de 10 milliards d'années, situées à une distance de 120 millions d'années-lumière. Ils étaient tous sans nomsauf pour les désignations dans les catalogues. On pense que c'est dans de telles galaxies que les fusions d'étoiles à neutrons se produisent le plus souvent, car elles sont anciennes, leurs étoiles ont une densité élevée et il y a pas mal de jeunes étoiles dans ces galaxies. En comparant cette image avec des images antérieures de la même galaxie, Kilpatrick n'a pas vu un tel point sur elles. C'était quelque chose de nouveau, tout récemment. «Il m'est apparu très lentement à quel point c'était un moment historique», se souvient Kilpatrick. "Mais à ce moment-là, j'étais concentré sur ma tâche, en essayant de travailler le plus rapidement possible."En comparant cette image avec des images antérieures de la même galaxie, Kilpatrick n'a pas vu un tel point sur elles. C'était quelque chose de nouveau, tout récemment. «Il m'est apparu très lentement à quel point il s'agissait d'un moment historique», se souvient Kilpatrick. "Mais à ce moment-là, j'étais concentré sur ma tâche, essayant de travailler le plus rapidement possible."En comparant cette image avec des images antérieures de la même galaxie, Kilpatrick n'a pas vu un tel point sur elles. C'était quelque chose de nouveau, tout récemment. «Il m'est apparu très lentement à quel point c'était un moment historique», se souvient Kilpatrick. "Mais à l'époque, j'étais concentré sur ma tâche, en essayant de travailler le plus rapidement possible."
Kilpatrick a partagé la vue avec d'autres membres de son équipe, y compris l'astronome de Carnegie Josh Simon, qui a rapidement capturé une image de confirmation avec l'un des plus grands télescopes Magellan du Chili, de six mètres et demi de diamètre. Le point bleu était également présent sur ces images. Pendant une heure, Simon a mesuré le spectre de ce point, c'est-à-dire les différentes couleurs de la lumière qu'il émet. Il l'a fait par paires avec une vitesse d'obturation de cinq minutes. Simon pensait que de telles images spectrales s'avéreraient utiles pour des recherches ultérieures. Et sinon, dans tous les cas, ils pourront prouver qu'il ne s'agit pas simplement d'une supernova ordinaire ou d'un autre imposteur cosmique. Pendant ce temps, d'autres équipes de scientifiques ont également remarqué ce point et ont commencé à l'étudier. Mais l'équipe de Foley a été plus rapide que les autres pour trouver une confirmation et mener une analyse spectrale, assurant ainsi la tête dans cette découverte. «Nous avons été les premiers à obtenir l'image, et nous avons été les premiers à identifier la source de cette image», explique Simon. «Et comme nous avons obtenu le premier et le deuxième très rapidement, nous avons pu faire la première analyse spectrale de cette fusion, ce que personne au Chili ne pouvait faire ce soir-là. Après cela, nous avons annoncé notre découverte à toute la communauté scientifique. "Après cela, nous avons annoncé notre découverte à toute la communauté scientifique. "Après cela, nous avons annoncé notre découverte à toute la communauté scientifique."
Ces premières observations spectrales se sont révélées extrêmement importantes pour l'analyse ultérieure et la solution de certains mystères. Ils ont montré que les restes de la fusion se refroidissent rapidement et perdent leur lumière bleue brillante, qui se transforme en un rubis profond. Ces données ont été vérifiées et confirmées au cours des observations dans les semaines suivantes, tandis que le point visible s'est estompé et s'est estompé, et sa rémanence s'est déplacée, et la lumière brillante est passée dans la région infrarouge du spectre avec une longueur d'onde plus longue. Les modèles généraux de couleur, de refroidissement et d'expansion étaient très similaires à ce que de nombreux théoriciens, travaillant indépendamment les uns des autres, avaient prédit auparavant. Tout d'abord, il s'agit de Brian Metzger de l'Université de Columbia et de Dan Kasen de l'UC Berkeley.
Bref, explique Metzger, ce que les astronomes ont vu après cette fusion pourrait être appelé «kilonova». Il s'agit d'une intense explosion de lumière provenant de la libération et de la désintégration radioactive subséquente d'un matériau chauffé à blanc et riche en neutrons d'une étoile à neutrons. Au fur et à mesure que ce matériau se dilate et se refroidit, la plupart de ses neutrons sont capturés par les noyaux de fer et d'autres éléments lourds laissés sous forme de cendres par l'explosion de la supernova et la formation d'une étoile à neutrons. «Cela conduit à la création d'éléments encore plus lourds en une seconde environ, lorsque les particules éjectées capturent ces neutrons et se dilatent dans l'espace. L'une de ces fusions forme la moitié inférieure du tableau périodique, à savoir l'or, le platine, l'uranium, etc. », explique Metzger. Au stade final, la lumière du kilonova se déplace brusquement dans la zone infrarouge, lorsque les neutrons sortant de l'éjection forment les éléments les plus lourds qui absorbent très efficacement la lumière visible.
La mesure des changements spectraux dans le corps de kilonova, à son tour, permet aux astronomes de déterminer le nombre d'éléments différents formés pendant le processus de fusion. Edo Berger, qui étudie les kilonovae au Smithsonian Center for Astrophysics et a dirigé nombre des observations les plus ambitieuses de cette fusion, affirme que l'événement a produit des éléments lourds, pesant 16 000 masses terrestres. «Tout est là: l'or, le platine, l'uranium et d'autres éléments les plus étranges que nous connaissons sous forme de lettres dans le tableau périodique, même si nous ne connaissons pas leurs noms», dit-il. «Quant à la désintégration, la réponse exacte à cette question nous est encore inconnue.»
Certains théoriciens suggèrent que la quantité d'or formée à la suite de la fusion ne représente que quelques dixièmes de la masse terrestre. Metzger, pour sa part, estime que ce nombre est égal à environ 100 masses terrestres. Selon lui, le platine a été formé trois fois plus que la masse terrestre et l'uranium - 10 fois moins. Dans tous les cas, si nous comparons les nouvelles estimations statistiques de la fréquence de ces fusions, sur la base des dernières mesures, nous obtenons un assez grand nombre de tels événements. «Il y en a suffisamment pour former et accumuler les éléments qui forment notre propre système solaire et la variété d'étoiles que nous voyons», explique Metzger. «Sur la base de ce que nous avons vu, ces fusions peuvent être expliquées en détail. Il existe probablement d'autres façons de former des éléments lourds, mais il semble queque nous n’en avons pas besoin. » Selon lui, tous les 10 mille ans dans la Voie lactée, il n'y a qu'une seule fusion d'étoiles à neutrons.
Frontières lointaines
De plus, l'étude du processus de fusion et de formation d'une kilonova peut nous fournir des informations très importantes sur la façon dont la collision s'est produite. Par exemple, la lumière de l'éjection initiale après la fusion était plus bleue que prévu par les scientifiques. Sur cette base, Metzger et d'autres scientifiques ont conclu qu'ils regardaient la kilonova sous un angle, pas directement. Sur la base de ce scénario, l'éjection bleue initiale provenait d'une enveloppe sphérique ou d'une bande équatoriale de matériau à faible neutron qui a été soufflée par des étoiles à neutrons à une vitesse estimée à 10% de la vitesse de la lumière. Des émissions plus tardives et plus rouges pourraient provenir d'un matériau à haute teneur en neutrons, qui a été éjecté des pôles des étoiles à neutrons lorsqu'ils sont entrés en collision à une vitesse de deux à trois fois plus rapide - comme du dentifrice.pressé hors du tube.
Si nous comparons ce scénario avec des données d'observation détaillées dans les gammes de rayons X et radio, alors la nature très curieuse de l'émission de rayons gamma associée à une telle fusion devient plus claire. C'était le sursaut gamma le plus proche jamais enregistré, mais aussi l'un des plus faibles. On pense que les sursauts de courte durée de rayons gamma sont des sursauts bipolaires de rayonnement intense qui sont accélérés et éjectés à une vitesse proche de la vitesse de la lumière par des champs magnétiques à l'intérieur d'étoiles à neutrons en collision alors qu'elles fusionnent et s'effondrent dans un trou noir. Si vous regardez directement ce flash de rayonnement gamma (œil à œil, pour ainsi dire), il sera très lumineux. Cela se produit dans la plupart des cas de telles émissions que les astronomes observent dans des parties éloignées de l'univers. Mais quand on regarde ces sursauts de rayons gamma sous un angle, ils semblent plutôt sombres, et ils ne peuvent être détectés que s'ils sont assez proches, à quelques centaines de millions d'années-lumière.
Ainsi, en utilisant les données abondantes accumulées par l'astronomie par ondes gravitationnelles, les scientifiques pourront déterminer au fil du temps les angles de vision de nombreux kilonovs dans toute la partie observable de l'univers, ce qui leur permettra de mesurer plus précisément les structures cosmiques à grande échelle et d'étudier leur évolution. Les scientifiques auront l'occasion de percer ces mystères qui sont beaucoup plus profonds que l'origine des éléments lourds, par exemple, la circonstance déroutante que l'univers n'est pas seulement en expansion, mais en expansion avec une accélération sous l'influence d'une force anti-gravité à grande échelle connue sous le nom d'énergie sombre.
Les chercheurs dans le domaine de la cosmologie espèrent pouvoir mieux comprendre l'énergie noire en mesurant avec précision son impact sur l'Univers, tracer des objets dans des régions éloignées de l'Univers, comprendre à quelle distance ils se trouvent et à quelle vitesse ils se déplacent dans des flux accélérés d'énergie noire. Mais pour ce faire, les scientifiques ont besoin de «bougies standard» fiables, c'est-à-dire d'objets dont la luminosité est connue, qui pourraient être utilisés pour calibrer cet immense domaine de l'espace-temps. L'astrophysicien Daniel Holz de l'Université de Chicago et du LIGO a démontré comment la fusion d'étoiles à neutrons peut contribuer à cet effort. Dans son travail, il montre que la force des ondes gravitationnelles formées lors de la dernière fusion,et les émissions de kilonova peuvent également être utilisées pour calculer le taux d'expansion des parties les plus proches de l'Univers. Cette méthode est limitée à une seule fusion et présente donc une incertitude significative dans ses valeurs, bien qu'elle confirme les données de taux d'expansion obtenues avec d'autres méthodes. Mais dans les années à venir, des observatoires d'ondes gravitationnelles, ainsi que des télescopes terrestres et spatiaux de nouvelle génération et de grandes tailles, travailleront ensemble, découvrant des centaines voire des milliers de collisions d'étoiles à neutrons chaque année. Dans ce cas, l'exactitude des estimations augmentera considérablement.bien qu'ils confirment les données sur les taux d'expansion obtenues par d'autres méthodes. Mais dans les années à venir, des observatoires d'ondes gravitationnelles, ainsi que des télescopes terrestres et spatiaux de nouvelle génération et de grandes tailles, travailleront ensemble, découvrant des centaines, voire des milliers de collisions d'étoiles à neutrons chaque année. Dans ce cas, l'exactitude des estimations augmentera considérablement.bien qu'ils confirment les données sur les taux d'expansion obtenues par d'autres méthodes. Mais dans les années à venir, des observatoires d'ondes gravitationnelles, ainsi que des télescopes terrestres et spatiaux de nouvelle génération et de grandes tailles, travailleront ensemble, découvrant des centaines voire des milliers de collisions d'étoiles à neutrons chaque année. Dans ce cas, l'exactitude des estimations augmentera considérablement.
"Qu'est-ce que tout cela signifie? Et le fait que les mesures des ondes gravitationnelles issues de ces fusions, effectuées par LIGO et Virgo, seront complétées par des modèles kilonova, et les scientifiques pourront alors comprendre quelles sont leurs inclinaisons et angles de vision, en examinant leur évolution spectrale avec une transition du bleu au rouge. " C'est ce qu'a déclaré l'astrophysicien Richard O'Shaughnessy du Rochester Institute of Technology et un membre de l'équipe LIGO. «C'est une mise en commun très puissante des efforts. Si nous connaissons l'inclinaison, nous pouvons calculer la distance, ce qui sera très utile pour la cosmologie. Ce qui a été fait maintenant est un prototype de ce que nous ferons régulièrement à l'avenir."
«Si vous y réfléchissez bien, l'univers est une sorte de collisionneur de particules cosmiques, et les particules de ce collisionneur sont des étoiles à neutrons», explique O'Shaughnessy. - Il pousse ces particules, et maintenant nous avons l'opportunité de comprendre ce qui en sort. Nous verrons un grand nombre de tels événements dans les années à venir. Je ne sais pas exactement combien il y en aura, mais les gens l'appellent déjà pluie cosmique. Cela nous donnera des données réelles qui nous permettront de connecter des brins très différents et abrupts de l'astrophysique, qui n'existaient auparavant que dans l'esprit des théoriciens ou sous la forme d'informations séparées dans des modèles de supercalculateurs. Cela nous donnera l'occasion de comprendre les raisons de l'abondance d'éléments lourds dans l'espace. Cela nous donnera l'occasion d'étudier la matière nucléaire molle et facilement compressible dans des conditions de densité énorme. Nous pourrons mesurer le taux d'expansion de l'univers. Ces efforts de collaboration offriront de vastes opportunités pour l'astrophysique des hautes énergies et poseront de nombreux défis pour les décennies à venir. Et la base d'une telle coopération sera des investissements à long terme. Aujourd'hui, nous récoltons les bénéfices d'une énorme montagne d'or, dont la masse est des dizaines, voire des centaines de fois la masse de la Terre. Ce don nous a été offert par l'Univers ».
Lee Billings est rédacteur en chef adjoint de Scientific American. Il écrit sur l'espace et la physique.
