La première fusion d’un trou noir avec une étoile à neutrons confirmée

La première fusion d’une étoile à neutrons et d’un trou noir vient d’être confirmée dans une étude. Publiée le 29 juin dernier, elle a été menée en janvier 2020 et devait depuis être confirmée par les chercheurs de Ligo et Virgo, les deux observatoires gravitationnels de nouvelle génération. Ces deux instruments, basées respectivement Handford et Livingston aux États-Unis pour Ligo et près de Pise en Italie pour Virgo sont capables de repérer les légères vibrations de l’espace-temps, des ondes gravitationnelles. En janvier dernier une perturbation particulière est venue prouver l’existence des couples trou noir – étoile à neutrons. Une idée qui n’était pour le moment présente que dans les théories astrophysiques et qui vient de faire son arrivée dans le monde du réel.

Lors de l’observation, les deux instruments ont reçu deux signaux différents. Le premier, baptisée GW200105 serait composé d’une étoile à neutrons de près de 2 masses solaires, et d’un trou noir de 9 masses solaires. Le second signal, GW200115, proviendrait pour sa part de la fusion entre une étoile 50 % plus massive que notre Soleil, et d’un trou noir de 6 masses solaires seulement. Ces deux signaux auraient traversé plus d’un milliard d’années-lumière avant de nous parvenir.

C’est la première fois qu’un couple mixte, étoile à neutrons et trou noir est repérée. Jusqu’alors 21 étoiles à neutrons « binaires » avaient été recensées, dont deux grâce à leurs ondes gravitationnelles émisent lors de leur fusion. 48 couples de trous noirs avaient également été classifiés dans notre ciel, sans qu’aucun couple mixte ne fasse jamais son apparition sur les relevés d’observations des instruments Virgo, Ligo ou Kagra (l’appareil japonais lui aussi focalisé sur les ondes gravitationnelles).

Étoiles à neutrons, trous noirs, ondes gravitationnelles : Qu’est-ce ?

Les trous noirs sont peut-être les éléments les mieux connus des trois par le grand public. Ils se forment à la mort d’une étoile très massive, quand cette dernière s’effondre sur elle-même sous le poids de sa propre gravité. Ils sont tellement denses qu’ils font effet de « puit », les objets passant à proximité tombent à l’intérieur, et rien, (ou presque) ne peut en ressortir, la gravité étant plus forte que la vitesse de la lumière. Ce qui donne cette couleur et ce nom aux trous noirs.

Les étoiles à neutrons, si elles sont visuellement bien différentes des trous noirs, peuvent en réalité être vues comme les petites sœurs de ces monstres de l’espace. Elles se forment quand une étoile meurt et s’effondre, mais que sa gravité n’est pas assez forte pour former une singularité (le point central d’un trou noir). Toute la masse de l’étoile est alors compressée dans une toute petite boule d’énergie : une étoile à neutrons.

Il arrive que deux étoiles supermassives soient assez proches et qu’à leur mort, les étoiles à neutrons ou trous noirs se rapprochent et terminent même par fusionner entre eux. C’est ce que l’on appelle des étoiles à neutrons « binaires », deux étoiles se tournant l’une autour de l’autre jusqu’à la fusion, ou des couples de trous noirs, qui eux aussi, à terme, finiront par fusionner.

Lors de cette fusion, la quantité d’énergie est si intense qu’elle fait « vibrer » la structure même de l’espace-temps. Cette vibration est appelée « onde gravitationnelle » et est perceptible à des milliards d’années-lumière de là, se déplaçant à la vitesse de la lumière à travers l’espace. Ce sont ces infimes vibrations de l’espace-temps que les appareils Ligo et Virgo mesurent quotidiennement. Selon l’intensité, la signature et l’origine de cette vibration, les scientifiques des deux observatoires sont capables de remonter la chaîne des événements pour retrouver s’il s’agit de fusion de trous noirs, d’étoiles à neutrons, ou comme c’est le cas ici, d’un couple mixte. L’intensité de l’onde gravitationnelle donne également des indications sur la taille et la masse des deux objets célestes qui ont fusionné.

Selon les premières estimations de l’étude, il devrait y avoir entre 5 et 15 étoiles à neutrons qui fusionnent avec des trous noirs chaque année, dans un rayon d’un milliard années-lumière autour de la Terre. De quoi être confiant quant aux découvertes futures de nouveaux couples mixtes dans notre ciel.

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