Le 25 avril, l’un des instruments scientifiques les plus précis jamais construits a détecté une infime déformation de l’espace-temps. Les deux faisceaux de lumière laser du détecteur LIGO aux États-Unis ont parcouru une distance inférieure à un millième de la taille d’un proton. Après des mois d’analyse, les responsables de l’expérience viennent d’annoncer que le signal était une onde gravitationnelle produite par l’un des phénomènes les plus violents de l’univers : la fusion de deux étoiles à neutrons.
Tout s’est passé à une distance de 500 millions d’années-lumière de la Terre ou, ce qui revient au même, il y a 500 millions d’années, lorsque les premiers animaux – des mille-pattes de la taille d’un doigt – ont commencé à se déplacer sur notre planète. Lorsque des étoiles plus grandes que le Soleil manquent de carburant, elles explosent en puissantes supernovae. Les couches externes de l’étoile sont éjectées, répandant des éléments chimiques essentiels à la vie dans tout l’univers. Pendant ce temps, la croûte interne de l’étoile s’effondre sur elle-même et les protons et les électrons s’écrasent les uns contre les autres jusqu’à ce qu’ils deviennent des neutrons. L’étoile se transforme en une sphère qui concentre plus de masse que le Soleil, mais avec un diamètre de seulement 10 kilomètres. Chaque cuillère à café d’une étoile à neutrons pèse plus d’un milliard de tonnes.
“La chose la plus surprenante dans cette fusion est qu’elle implique des étoiles aussi massives, en fait c’est la plus grande que nous ayons observée jusqu’à présent”, explique Alicia Sintes, chercheuse principale du groupe LIGO à l’Universitat de les Illes Balears.
Les phénomènes les plus violents du cosmos produisent des ondes gravitationnelles qui se dilatent à la vitesse de la lumière dans toutes les directions comme des ondulations dans un étang quand une pierre est lancée. L’intensité de ces ondes en atteignant la Terre est négligeable, mais suffisante pour estimer quel phénomène les a produites. D’après les signaux captés par LIGO, il s’agit cette fois de deux étoiles à neutrons d’une masse approximative de 1,5 et 1,7 fois celle du Soleil qui ont formé un système stellaire binaire. “Après leur fusion, il est fort probable qu’ils aient formé un trou noir de plus de trois masses solaires”, explique Sintes. Ces objets concentrent tellement de masse et de densité que rien ne peut échapper à leur force de gravité, pas même la lumière, c’est pourquoi on ne peut pas les voir avec les télescopes conventionnels. L’observation a été faite avec le détecteur LIGO à Livingston (USA) et sa localisation dans le ciel a été affinée grâce à la participation du détecteur européen d’ondes gravitationnelles Vierge. Les résultats ont été publiés sur le site du LIGO et ont été soumis à une revue scientifique.
Cela s’est produit à une distance de 500 millions d’années-lumière de la Terre ou, ce qui revient au même, il y a 500 millions d’années, lorsque les premiers animaux – des mille-pattes de la taille d’un doigt – ont commencé à se déplacer sur notre planète.
« La composition interne des étoiles à neutrons reste largement inconnue. Il est possible qu’ils ne soient constitués que de neutrons, mais il pourrait aussi s’agir de matières beaucoup plus exotiques, comme des quarks à l’état libre. Au fur et à mesure que nous détecterons d’autres événements comme celui-ci avec des détecteurs d’ondes gravitationnelles, nous pourrons regarder à l’intérieur de ces étoiles et découvrir de quoi elles sont vraiment faites », souligne Sintes. Les résultats sera publié dans Lettres du journal astrophysique.
En 2017, pour la première fois de l’histoire, il a été possible de capter les ondes lumineuses et gravitationnelles provoquées par la fusion de deux étoiles à neutrons légèrement plus petites que celles détectées actuellement, ce qui a marqué une étape importante dans l’astronomie car elle permet d’observer le même phénomène avec ondes lumineuses et gravitationnelles. Cette même année, les parents de LIGO, Rainer Weiss, Barry Barish et Kip Thorne, ont remporté le prix Nobel de physique pour leurs travaux sur ce détecteur.
A cette occasion, seules des ondes ont été détectées, et cela n’a été fait qu’à partir d’un des deux détecteurs LIGO, donc la précision des mesures n’est pas si élevée et il y a une petite possibilité que la fusion n’ait pas été entre étoiles de neutrons, mais entre de très petits trous noirs.
LIGO est prévu pour fonctionner jusqu’en mai 2020. Après cela débutera une phase de renouvellement et d’amélioration des détecteurs qui durera environ un an. Virgo et d’autres grands détecteurs s’arrêteront également cette année avec le même objectif, explique Sintes. « D’une certaine manière, nous allons être aveugles à ces types d’événements ; nous ne pourrons capter que les plus puissants, puisque le détecteur GEO600 [en Alemania]avec moins de sensibilité, continuera à fonctionner », détaille-t-il.
