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Les ondes gravitationnelles font la première lumière sur la fusion d’étoiles à neutrons

Dernière mise à jour : mardi 17 octobre 2017, par Nicolas Busser

C’est une découverte majeure à plus d’un titre. Les scientifiques de la collaboration LIGO-Virgo (dont le CNRS est membre) ont observé pour la première fois des ondes gravitationnelles émises lors de la fusion de deux étoiles à neutrons, et non de deux trous noirs comme dans les cas précédents. Autre première : cette source d’ondes gravitationnelles émet de la lumière, observée dans les heures, jours et semaines qui suivirent grâce à la contribution de 70 autres observatoires sur Terre et dans l’espace. Cet ensemble d’observations marque l’avènement d’une astronomie dite « multi-messagers ». Une moisson de résultats en est issue : d’une solution à l’énigme des sursauts gamma et à celle de l’origine des éléments chimiques les plus lourds – comme le plomb, l’or ou le platine –, en passant par l’étude des propriétés des étoiles à neutrons ou par une mesure indépendante de la vitesse d’expansion de l’Univers. Une dizaine d’articles scientifiques publiés le 16 octobre 2017 détaillent ces différents aspects. Ils sont signés par de nombreux chercheurs de laboratoires du CNRS (plus de 200 pour l’une des publications), membres de la collaboration LIGO-Virgo ou de groupes d’astronomes partenaires.

Communiqué de presse du CNRS
Communiqué de presse de l’IN2P3

L’IPHC participe à une recherche de neutrinos de haute énergie en coïncidence avec le signal gravitationnel GW170817 annoncé par LIGO-Virgo

Lundi 16 octobre 2017, les collaborations LIGO et Virgo ont annoncé la détection d’un nouveau signal gravitationnel, GW170817, provenant de la coalescence de 2 étoiles à neutrons (voir les figures 1 et 2). Cette découverte est d’autant plus importante que la même collision a été vue par les satellites FERMI et INTEGRAL sous la forme d’un sursaut gamma court, et par la suite à travers tout le spectre électromagnétique, de la radio aux X. La figure 3 montre la position des observatoires ayant suivi l’événement, depuis la Terre ou depuis l’espace. Ces observations ont permis de localiser précisément la source, à 130 millions d’années-lumières, dans la galaxie NGC4993. Elles sont résumées dans une publication « Multi-Messagers » regroupant environ 50 collaborations incluant la collaboration ANTARES, dont est membre l’IPHC.

Figures 1 et 2

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Figure 1

Fig. 1 : Représentation temps-fréquence des données de LIGO qui combinent de manière cohérente les données de LIGO-Hanford et LIGO-Livingston pour la source GW170817. La trace de la coalescence d’étoiles à neutrons GW170817 est clairement visible pendant 30 secondes. Credit : LIGO/Virgo/Alex Nitz

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Figure 2

Fig. 2 : Localisation des signaux GW150914, LVT151012, GW151226, GW170104, GW170814, GW170817. Remarquer l’incertitude de localisation considérablement plus petite pour GW170814 et GW170817, 2 signaux pour lesquels Advanced Virgo était en prise de données. L’arrière-plan est une image optique de la Voie Lactée,à l’instant de GW151226. Credit : LIGO/Virgo/NASA/Leo Singer (Voie Lactée : Axel Mellinger)

Dans un effort commun des collaborations ANTARES, IceCube, Pierre Auger, LIGO et Virgo, des scientifiques ont cherché des émissions neutrinos en provenance de cette coalescence. Cette recherche, du GeV à l’EeV, n’a mis en évidence aucun neutrino en coïncidence spatiale avec la galaxie hôte (voir la figure 4). Ce résultat est en accord avec les modèles de sursauts gammas dans lesquels le jet donnant naissance aux émissions électromagnétiques est incliné par rapport à la ligne de visée, ce qui est probablement le cas pour le sursaut associé à GW170817. Ces résultats ont été soumis à The Astrophysical Journal.

Figure 3

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Figure 3

Fig. 3 : Observatoires, sur Terre ou depuis l’espace, qui ont recherché des émissions provenant de GW170817. ANTARES est un des points bleus dans la mer méditerranée [Credit : LIGO-Virgo].

Figure 4

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Figure 4

Fig. 4 : En coordonnées équatoriales, au moment du signal gravitationnel : localisation à 90% de niveau de confiance du signal GW170817 (contour rouge), direction de NGC4993 (symbole « + » noir), directions des candidats neutrinos d’ANTARES et IceCube à +/-500s du signal gravitationnel (croix vertes et diamands bleus), horizon pour ANTARES (ligne en tirets bleus) séparant des directions descendantes (au nord de l’horizon) et montantes (au sud de l’horizon), champ de vue d’Auger pour les directions rasantes (bleu foncé) et descendantes (bleu clair). Les directions montantes et descendantes d’IceCube sont les hémisphères nord et sud, respectivement. L’angle zénithale de la source au moment de la coalescence était 73.8° pour ANTARES, 66.6° pour IceCube, et 91.9° pour Auger.

Cette détection par LIGO-Virgo marque le début d’une nouvelle ère de l’astrophysique multi-messagers, à laquelle participe l’IPHC. Rappelons que l’IPHC supervise pour ANTARES le programme de recherche de coïncidences Ondes Gravitationnelles-Neutrinos de Haute Energie (GWHEN, pour Gravitational Waves + High Energy Neutrinos), et ce, depuis 2008, au temps des prises de données avec les premiers détecteurs LIGO et Virgo. ANTARES a par ailleurs recherché des émissions neutrinos en provenance des premiers signaux gravitationnels annoncés, des coalescences de deux trous noirs, comme par GW150914, ou plus récemment GW170104.