La collision violente d’étoiles à neutrons fait trembler les ondes gravitationnelles à travers le tissu de l’espace et du temps

Fusion d'étoiles de neutrons binaires avec Artist Rendition

Vue d’artiste de la fusion d’étoiles à neutrons binaires produisant le GW190425. Crédit: National Science Foundation / LIGO / Sonoma State University / A. Simonnet

Une nouvelle étude collaborative avec le Centre d’excellence de l’ARC pour la découverte des ondes gravitationnelles (OzGrav) révèle une possible collision de deux étoiles à neutrons au début de 2019 – seulement la deuxième fois que ce type d’événement cosmique était détecté. Le réseau d’observatoires des ondes gravitationnelles, qui comprend le réseau de la National Science Foundation LIGO et les détecteurs européens de la Vierge ont détecté ce qui semblait être des ondulations gravitationnelles lors d’une collision de deux étoiles à neutrons le 25 avril 2019.

Des ondes gravitationnelles et de la lumière ont été observées pour la première fois lors du même événement en 2017. Ce deuxième événement en 2019, appelé GW190425, n’a entraîné aucune détection de lumière; cependant, les chercheurs ont appris que la collision a entraîné la fusion d’un objet avec une masse inhabituellement élevée.

Le chercheur postdoctoral d’OzGrav, Simon Stevenson, a déclaré: «Cet événement est un parfait exemple de la façon dont l’astronomie des ondes gravitationnelles est une façon complètement nouvelle et unique de regarder l’Univers. Les fichiers binaires avec des masses similaires à cet événement peuvent ne pas exister dans le voie Lactée ou peut être complètement invisible pour les radiotélescopes conventionnels. “

Les étoiles à neutrons sont les restes d’étoiles mortes qui ont explosé. Lorsque deux étoiles à neutrons spiralent ensemble, elles subissent une fusion violente qui envoie ondes gravitationnelles frissonnant à travers le tissu de l’espace et du temps.

Les ondes gravitationnelles détectées pour la première fois en 2015 ont été générées par la violente collision de deux trous noirs. Depuis lors, les scientifiques ont enregistré des dizaines de nouveaux candidats trou noir les fusions. La première détection d’un étoile à neutrons la fusion a eu lieu deux ans plus tard, en 2017.

Simulation du binaire étoile à neutrons coalescence GW190425 Cette vidéo montre une simulation numérique représentant la coalescence et la fusion des étoiles à neutrons binaires qui ont entraîné la détection de l’onde gravitationnelle GW190425. Les deux étoiles à neutrons présentées ici ont des propriétés cohérentes avec la détection effectuée par les détecteurs Advanced LIGO / Virgo. Des images fixes peuvent être téléchargées à partir de ce lien. Crédit: Simulation de la relativité numérique: T. Dietrich (Nikhef), Wolfgang Tichy (Florida Atlantic University) et la collaboration scientifique CoRe-collaboration Visualisation scientifique: T. Dietrich (Nikhef), S. Ossokine et A. Buonanno (Max Planck Institute for Gravitational Physics )

Le chercheur postdoctoral d’OzGrav, Vaishali Adya, déclare: «Cette détection manifeste l’importance d’une amélioration continue des détecteurs d’ondes gravitationnelles déjà incroyablement sensibles, car cet événement n’aurait pas été observable avant les dernières mises à niveau. OzGrav a joué un rôle essentiel dans ces mises à niveau, dont l’une consistait à réduire le bruit quantique dans les détecteurs. »

Le chercheur postdoctoral d’OzGrav, Xingjiang Zhu, a déclaré: «La masse combinée des objets qui fusionnent est étonnamment élevée, beaucoup plus grande que tous les binaires d’étoiles à double neutron précédemment connus, y compris celui détecté en 2017. Cela nous pousse à réfléchir à la nature de cet événement et à la façon dont le la source aurait pu être formée.

La masse combinée des corps fusionnés dans cet événement est environ 3,4 fois celle de la masse du Soleil. En règle générale, les collisions d’étoiles à neutrons ne se produisent qu’entre des paires d’étoiles à neutrons dont la masse totale peut atteindre 2,9 fois celle du Soleil. Une possibilité pour la masse inhabituellement élevée est que la collision a eu lieu non pas entre deux étoiles à neutrons, mais une étoile à neutrons et un trou noir, car les trous noirs sont plus lourds que les étoiles à neutrons. Mais si c’était le cas, le trou noir devrait être exceptionnellement petit pour sa classe. Au lieu de cela, les scientifiques croient qu’il est plus probable que l’événement ait été un éclatement de deux étoiles à neutrons et que leur fusion a abouti à un trou noir nouvellement formé.

On pense que les paires d’étoiles à neutrons se forment tôt dans la vie – lorsque les étoiles massives compagnes meurent successivement une par une – ou lorsqu’elles se réunissent plus tard dans la vie dans des environnements denses et occupés. Les données de l’événement de 2019 n’indiquent pas lequel de ces scénarios est le plus probable – davantage de données et de nouveaux modèles sont nécessaires pour expliquer la masse étonnamment élevée. La découverte suggère que nous avons peut-être détecté une population entièrement nouvelle de systèmes d’étoiles à neutrons binaires.

Greg Ashton, enquêteur associé d’OzGrav, a déclaré: «Cet événement était vraiment intéressant. Le signal de type gazouillis a été vu par deux des trois détecteurs pendant environ 128 secondes avant la fusion finale. Malheureusement, l’un des détecteurs n’observait pas à l’époque, ce qui signifiait que la localisation du ciel était mauvaise. Peut-être à cause de cela, et parce qu’il était si loin, aucune lumière électromagnétique n’a été observée à partir de cet événement. Néanmoins, nous l’avons vu très clairement dans les données des ondes gravitationnelles et nous pouvions l’utiliser pour calculer les masses, les spins et les orientations des objets. »

«Des découvertes passionnantes et inattendues supplémentaires peuvent être attendues à mesure que la sensibilité des détecteurs LIGO s’améliore. OzGrav travaille en étroite collaboration avec LIGO pour améliorer leur sensibilité, développant de nouvelles techniques d’instrumentation et d’analyse », a déclaré le professeur Peter Veitch, chef de nœud OzGrav à l’Université d’Adélaïde.

Les résultats ont été annoncés en janvier 2020 lors de la réunion de l’American Astronomical Society à Honolulu, Hawaï.

Pour en savoir plus sur cette recherche, lisez Surfer sur les ondes gravitationnelles à travers le tissu de l’espace et du temps après que les étoiles à neutrons se sont violemment heurtées