Quand un trou noir dévore une étoile à neutrons.

Quand un trou noir dévore une étoile à neutrons.

 Les ondes gravitationnelles ont permis la première détection d’une fusion mixte impliquant les deux types d’astres les plus denses de l’Univers.

C'est un duo cosmique jamais vu ! Les collaborations scientifiques LIGO (américaine) et Virgo (européenne) viennent d'annoncer la détection de la toute première fusion d'un trou noir et d'une étoile à neutrons, les deux types d'astres les plus denses et les plus mystérieux de notre univers.

Le tout s'est manifesté dans leurs détecteurs sous la forme d'une bouffée d'ondes gravitationnelles : d'infimes ondulations de l'espace-temps se propageant dans l'univers à partir d'événements impliquant des objets très massifs. Le tout premier signal a été enregistré par l'interféromètre Virgo basé près de Pise, en Italie, et par les deux interféromètres américains construits à Livingston, aux États-Unis, le 5 janvier 2020. Un second du même type ayant été capté moins de deux semaines plus tard, le 15 janvier 2020.

Des ondes venues du fond des âges

Après 18 mois de travail et de vérifications, les deux équipes scientifiques rassemblant pratiquement tous les experts de la discipline sont formelles : les deux histoires contées par ces signaux venus du fond des âges sont inédites et de même nature ! Il s'agit, à chaque fois, de la rencontre d'une étoile à neutrons et d'un trou noir qui, après s'être sans doute longtemps tournés autour, ont fini par fusionner.

Suite de l'article.

Bonjour,

Tu as posté un article intéressant.

On peut en trouver d'autres, qui apportent sur le même sujet un éclairage un peu différent:

Astrophysique
La fusion d’un trou noir et d’une étoile à neutrons enfin observée
Parmi les scénarios possibles de coalescence d’objets compacts, celle d’un trou
noir et d’une étoile à neutrons manquait à l’appel. Elle vient d’être détectée… par
deux fois, à dix jours d’intervalle

Cette découverte était attendue depuis au moins six ans. Le 14 septembre
2015, la collaboration Ligo-Virgo détectait les ondes gravitationnelles
émises par la fusion de deux trous noirs. C’était la première fois que ces
vibrations de l’espace-temps, prédites par Albert Einstein cent ans plus tôt,
étaient observées directement. Le 17 août 2017, la même collaboration
enregistrait un signal provenant de la coalescence de deux étoiles à neutrons. De
nombreux autres événements similaires ont depuis été mis en évidence.
Simulation de la fusion d’un trou noir et d’une étoile à neutrons avec destruction par effet de marée.
© Visualisation : T. Dietrich (université de Potsdam et institut Max-Planck de physique gravitationnelle), N. Fischer, S. Ossokine,
H. Pfeiffer (institut Max-Planck de physique gravitationnelle), T. Vu. Simulation numérique : S.V. Chaurasia (université de Stockholm) et T. Dietrich

Mais jusqu’à présent, aucun ne résultait de la fusion d’un trou noir et d’une étoile à
neutrons. C’est désormais chose faite, et plutôt deux fois qu’une ! Après un an
d’analyse, la collaboration Ligo-Virgo a confirmé avoir observé une telle
configuration le 5 janvier 2020 (nommée GW200105), et une seconde dix jours
plus tard (GW200115).
« Quand j’animais des séminaires sur les ondes gravitationnelles, il y
avait presque toujours un astronome pour me demander quand on détecterait
une fusion de trou noir et d’étoile à neutrons ; c’est chose faite », raconte Astrid
Lamberts, de l’observatoire de la Côte d’Azur, à Nice. La détection de
la coalescence d’un trou noir et d’une étoile à neutrons était très attendue pour
compléter un tableau déjà riche dans l’étude des ondes gravitationnelles. Cette
configuration est d’autant plus intéressante qu’elle a été prédite théoriquement
depuis des décennies mais qu’on ne connaît pas de système binaire composé de
ces deux objets compacts dans la Voie lactée. « Autre intérêt, si l’étoile à
neutrons tourne très vite sur elle-même, typiquement de l’ordre de 1 000 tours
par seconde, elle émet un faisceau de rayonnement avec une très grande
régularité, un peu comme un phare (on parle de pulsar). On aurait donc une
horloge ultraprécise dans l’environnement proche d’un trou noir, une sonde
idéale pour tester la relativité générale », ajoute la chercheuse.
Pour traquer les ondes gravitationnelles, la collaboration Ligo-Virgo utilise des
interféromètres laser géants (deux aux États-Unis et un en Italie) chacun muni
de deux bras perpendiculaires de 3 à 4 kilomètres de longueur. Lors du passage
d’une onde gravitationnelle, l’espace subit des contractions et des dilatations
dans le plan orthogonal à la direction de propagation de l’onde. Ces variations de
longueur sont infimes – de l’ordre du milliardième de la taille d’un atome – mais
néanmoins mesurables par les interféromètres.
La forme du signal enregistré par les interféromètres livre de nombreuses
informations sur le système binaire qui a fusionné et produit les ondes
gravitationnelles. Elle permet en particulier de déterminer la masse des deux
protagonistes. Ainsi, la fusion du 5 janvier 2020 implique deux objets de 9 et
1,9 masses solaires. Pour celle du 15 janvier, les masses respectives étaient
d’environ 6 et 1,5 masses solaires. Les deux objets les plus lourds sont
Offrez-vous un abonnement 1 an, nous vous offrons 3 mois supplémentaires ! X
La fusion d’un trou noir et d’une étoile à neutrons enfin observée | Pour l... https://www.pourlascience.fr/sd/astrophysique/la-fusion-d-un-trou-noir-e...
2 sur 9 08/07/2021 à 08:24
nécessairement des trous noirs (il faut des objets très compacts pour former des
ondes gravitationnelles comme celles qui ont été mesurées), tandis que les plus
légers sont dans l’intervalle de masse attendu pour des étoiles à neutrons, ne
laissant que peu de doute sur leur nature. Les deux événements se sont produits
à environ 0,9 et 1 milliard d’années-lumière.
En 2019, la collaboration Ligo-Virgo avait déjà détecté un événement mettant en
jeu un trou noir de 23 masses solaires et un second objet de 2,6 masses solaires.
Il a cependant été impossible de déterminer s’il s’agissait de l’étoile à neutrons la
plus massive ou du trou noir le plus léger jamais observé.
Un aspect intéressant des deux événements de janvier 2020 est l’absence de
signal électromagnétique associé. Lorsque deux étoiles à neutrons fusionnent et
produisent des ondes gravitationnelles, les astres se déchirent sous l’effet des
forces de marée, la matière chauffe et émet un rayonnement électromagnétique
intense, qui forme ce que l’on nomme une kilonova. Celle liée à la coalescence de
deux étoiles à neutrons détectée le 17 août 2017 avait été étudiée en détail. Mais
qu’en est-il de la fusion d’une étoile à neutrons et d’un trou noir ? Pour les deux
événements détectés, aucune contrepartie électromagnétique n’a été observée.
Deux explications sont envisagées. D’une part, les systèmes binaires étant
lointains, si de la lumière a été émise, le signal était peut-être trop faible en
arrivant sur Terre pour être détecté. Et, surtout pour le premier événement, la
grande incertitude sur la localisation de la fusion des deux corps sur la voûte
céleste n’a pas permis d’indiquer aux autres observatoires où pointer
leurs télescopes. D’autre part, « pour GW200105 et GW200115, la différence de
masse entre les deux corps, d’un facteur cinq, laisse penser qu’il n’y a même pas
eu d’émission lumineuse pendant la coalescence. Les simulations numériques
suggèrent que dans ces conditions, le trou noir avale l’étoile à neutrons en un
seul morceau », indique Astrid Lamberts.
Masses des objets qui ont participé à des coalescences et émis des ondes gravitationnelles détectées par Ligo-Virgo.

Une autre question intéressante est de comprendre comment un tel système
binaire se forme. Deux scénarios peuvent produire une paire trou noir-étoile à
neutrons. Le scénario du « système binaire isolé » débute avec deux étoiles nées
dans le même nuage de gaz et assez massives pour exploser en supernovæ, l’une
laissant derrière elle une étoile à neutrons, l’autre un trou noir. La deuxième
piste est celle de l’« interaction dynamique », qui se produit typiquement dans de
jeunes amas contenant entre 1 000 et 10 000 étoiles et où les rencontres sont
assez fréquentes. Les deux étoiles initiales auraient évolué de façon
indépendante en étoile à neutrons pour l’une et trou noir pour l’autre, et se
seraient liées gravitationnellement par la suite au hasard de leurs mouvements
dans l’amas. En principe, l’analyse des signaux des ondes gravitationnelles
permet de départager ces deux scénarios. En effet, il est possible d’estimer la
vitesse de rotation des astres sur eux-mêmes lors de la fusion ainsi que la
direction de leur axe de rotation. Or, dans le premier scénario, comme les deux
objets sont nés ensemble, leurs axes de rotation sont souvent alignés, ce qui
n’est pas la règle dans le second cas. L’événement GW200115, avec des axes de
rotation de sens opposés, semble favoriser le scénario de l’amas globulaire.

statistiquement la fréquence de ces événements dans l’Univers. Environ entre 5
et 15 fusions d’un trou noir et d’une étoile à neutrons se produiraient ainsi
chaque année dans un rayon de 1 milliard d’années-lumière. Ces calculs restent
cependant à affiner, et les physiciens espèrent s’engager bientôt dans une ère où,
avec un catalogue étendu de fusions de toutes sortes, il sera possible de mener
des études statistiques sur les propriétés des étoiles et même de l’Univers. Pour
cela, Ligo et Virgo, avec le tout nouvel interféromètre Kagra au Japon, entrent
dans une phase de mise à niveau pour augmenter leur sensibilité avant une
nouvelle campagne de prise de données qui devrait commencer à l’été 2022.

https://www.pourlascience.fr/sd/astrophysique/la-fusion-d-un-trou-noir-e...