Ondes gravitationnelles : un nouvel âge d’or pour l’astronomie

15.01.2024, par Mathieu Grousson
Mis à jour le 13.02.2024


Moins d’une décennie après son avènement, l’astronomie gravitationnelle renouvelle toutes les sciences du ciel. Plusieurs projets d’observatoires promettent de révéler le cosmos tel qu’on ne l’a jamais vu.

Depuis mai dernier, une partie des détecteurs de la collaboration Ligo-Virgo-Kagra sont à nouveau à l’écoute du cosmos, enregistrant deux à trois « événements » par semaine. Fusions impliquant des trous noirs, des étoiles à neutrons… la campagne d’observation n’est pas terminée. Mais il est probable qu’au total, environ deux cents détections viennent enrichir l’inventaire des découvertes de la toute jeune astronomie gravitationnelle. Toute jeune, mais déjà mature, un peu plus de huit ans après la première observation de la coalescence de deux trous noirs, révélée par l’enregistrement des vibrations de l’espace-temps résultant de ce cataclysme cosmique. Alors même qu’en 2015, l’existence des ondes gravitationnelles prédites par la relativité générale n’avait encore reçu aucune preuve directe !



Cyril Frésillon / Virgo / CNRS Images
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« Nous sommes comme Galilée lorsque, tournant sa lunette vers le ciel, il a découvert un nouveau monde et ouvert une nouvelle fenêtre sur l’Univers », s’enthousiasme Patrice Verdier, à l’Institut de physique des deux infinis de Lyon1 et responsable France du projet Einstein Telescope. Évolution stellaire, astrophysique galactique, tests de la relativité générale, physique des astres denses et de la matière extrême, cosmologie primordiale : les ondes gravitationnelles bouleversent déjà nos connaissances dans chacune des disciplines intéressées par les mystères du cosmos. Et de l’amélioration des infrastructures existantes aux projets de détecteurs géants en passant par la diversification des techniques de détection, ceci n’est qu’un début.
Des ondes longtemps insaisissables
Longtemps, les ondes gravitationnelles ont pourtant semblé inaccessibles. Et pour cause : pour observer le signal produit par la fusion de deux trous noirs de quelques masses solaires, il faut pouvoir mesurer des vibrations de l’espace correspondant à des variations de longueur 10 000 fois plus petites que la taille d’un proton ! Pour vaincre le scepticisme alors majoritaire quant à la faisabilité d’un tel projet, il aura fallu toute la ténacité de quelques physiciens, dont Alain Brillet, Médaille d’or du CNRS en 2017 et père de l’interféromètre gravitationnel européen Virgo.

Depuis 2015, c’est une succession de découvertes et de révolutions.
Son principe, comme celui de son alter ego américain Ligo : un puissant laser dont la lumière, séparée en deux faisceaux, réalise plusieurs allers-retours dans les deux bras perpendiculaires et longs de plusieurs kilomètres de l’infrastructure, avant de se recroiser.
Au passage d’une onde gravitationnelle, un bras s’allonge et l’autre rétrécit, certes de manière infinitésimale, mais suffisamment pour que la différence soit détectable dans le signal issu de la recombinaison des deux faisceaux.


Ce spectrogramme, qui combine les signaux des détecteurs Ligo américains, « montre » la production d’ondes gravitationnelles de plus haute fréquence (ligne verte) lorsque deux étoiles à neutrons se rapprochent l’une de l’autre, en tournant de plus en plus vite.

LSC / Alex Nitz
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Au démarrage de Ligo, en 2015, après une phase préparatoire de vingt ans, personne ne peut jurer de rien. Mais avant même le début officiel de la campagne d’observation, l’interféromètre détecte sa première coalescence. « C’est arrivé tellement vite que pendant 24 heures, on a cru que c’était un test », se souvient Frédérique Marion, au Laboratoire d’Annecy de physique des particules2 et porte-parole adjointe de la collaboration Virgo. Non seulement la détection est bien réelle, mais de plus, le signal perçu surprend les spécialistes. Correspondant à des trous noirs de 29 et 36 masses solaires, ces derniers sont bien plus massifs qu’attendu pour des astres issus de l’effondrement du cœur d’étoiles. « Ça a d’abord été l’incrédulité, puis une joie immense, et d’entrée de jeu une remise en cause », résume Marie-Anne Bizouard, au laboratoire Artemis3.
Naissance de l’astronomie multi-messager
Depuis ce premier run (ou campagne), deux autres ont eu lieu et le quatrième est en cours. À chaque fois, les bonnes surprises ont été au rendez-vous. Lors du deuxième run, en 2016-2017, les chercheurs ont ainsi observé leur première fusion d’étoiles à neutrons, des objets issus de l’effondrement gravitationnel du cœur de certaines étoiles massives. Mieux, comme le décrit Sarah Antier, à l’Observatoire de la Côte d’Azur, « la contrepartie électromagnétique du signal a pu être observée simultanément, puis ensuite pendant plusieurs jours, à l’aide de plusieurs télescopes en orbite et au sol, et ce sur tout le spectre électromagnétique », la séquence signant l’acte de naissance de l’astronomie multi-messager avec des ondes gravitationnelles.


Simulation de la fusion entre une étoile à neutrons et un trou noir. La différence de forces gravitationnelles en jeu déchire peu à peu l’étoile.

T. Dietrich (Potsdam Univ. and Max Planck Institute for Gravitational Physics), N. Fischer, S. Ossokine, H. Pfeiffer (Max Planck Institute for Gravitational Physics), S.V. Chaurasia (Stockholm Univ.), T. Vu
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À la clé, une pluie de résultats : un lien établi entre fusion d’étoiles à neutrons et sursauts gamma courts, soit des bouffées de photons ultra-énergétiques dont l’origine était discutée ; une nouvelle façon de mesurer la constante de Hubble, relative à l’expansion de l’Univers, via la comparaison de la distance de l’événement, obtenue grâce au signal gravitationnel, et de son décalage vers le rouge, déduit des observations lumineuses ; enfin, une mesure de la vitesse de propagation des ondes gravitationnelles, compatible avec la vitesse de la lumière, qui a permis de contraindre nombre des théories alternatives à la relativité générale ! Quant à la troisième campagne d’observation, menée en 2019, elle a notamment permis d’observer deux trous noirs stellaires si lourds qu’ils pourraient constituer les progéniteurs des trous noirs supermassifs qui se logent au cœur des galaxies. « Depuis 2015, c’est simple, c’est une succession de découvertes et de révolutions », commente Marie-Anne Bizouard.
De l’observation ponctuelle aux statistiques
En même temps, au fur et à mesure des différentes campagnes, la fréquence et donc le nombre des détections n’ont cessé d’augmenter : trois lors de la première, une dizaine avec la deuxième, une petite centaine en ajoutant la troisième et probablement autour de trois cents au terme de la quatrième, à la fin de cette année. Conséquence, « au-delà des événements singuliers, on observe désormais des amorces de tendances pertinentes sur le plan statistique », traduit Astrid Lamberts, à l’Observatoire de la Côte d’Azur. De quoi commencer à faire le tri entre différents scénarios et hypothèses dans plusieurs domaines.


Simulation de la lumière émise par un système binaire de trous noirs supermassifs, où le gaz environnant est optiquement mince (transparent).

Nasa, Goddard Space Flight Center / Scott Noble (simulation data d’Ascoli et al. 2018)
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C’est notamment le cas en astrophysique stellaire où les propriétés des trous noirs observés permettent de clarifier ce que l’on sait du cycle de vie des étoiles qui en sont à l’origine. Ainsi, le constat de trous noirs étonnamment massifs a permis de montrer que contrairement à ce qui est observé dans notre galaxie, de très nombreuses étoiles naissent et évoluent dans un environnement de très faible métallicité, c’est-à-dire très peu enrichi en éléments lourds. « Plus la métallicité d’une étoile est faible, moins ses vents solaires sont importants et plus le trou noir résultant de l’effondrement du cœur sera massif », décrypte Marie-Anne Bizouard.
Quant aux statistiques de rotation des trous noirs, elles sont un marqueur de l’évolution stellaire pour laquelle il existe au moins deux scénarios : soit les étoiles naissent et évoluent en couple qui finit par se muer en binaire de trous noirs ; soit elles apparaissent seules dans des amas d’environ un million d’étoiles, au sein desquels les interactions gravitationnelles empêchent d’abord la formation de paires, les binaires ne se formant qu’une fois que chaque élément de la paire a fini son évolution sous la forme d’un trou noir. « Ces scénarios ont longtemps été en compétition, explique Astrid Lamberts. Or les données montrent que les deux sont possibles, sans que l’on sache encore lequel domine l’autre. »
De plus en plus d’instruments de plus en plus sensibles
Ces résultats sont le fruit d’une augmentation constante de la sensibilité des détecteurs. Suspensions sismiques et état de surface des miroirs, lumière laser, environnement… tout est bon pour réduire le bruit, qu’il soit d’origine sismique ou lié à la nature quantique de la lumière.
 
Nous assistons à l’éclosion d’un écosystème mondial d’observatoires d’ondes gravitationnelles, techniquement robuste et scientifiquement prometteur.
« C’est aussi une somme de petites choses, mais à chaque fois très complexes et très difficiles à réaliser, pointe Frédérique Marion. Et ce n’est jamais terminé car nos exigences ne font que croître ! » Ainsi, la prise de données envisagée pour 2027-2028 bénéficiera notamment de miroirs plus grands, au substrat plus lourd, et élaborés selon de nouvelles techniques de dépôt en couches minces qui permettront de réduire drastiquement le bruit thermique.
Au-delà, les collaborations Virgo et Ligo se projettent déjà dans des versions dites respectivement « nEXT » et « A# » des interféromètres, non encore actées, mais selon une logique « d’aller aux limites de ce que permettent les infrastructures existantes », anticipe Frédérique Marion. À quoi s’ajoutent la montée en puissance de l’interféromètre japonais Kagra, qui a contribué marginalement à la sensibilité du début des observations en cours, et la mise sur les rails de Ligo-India dont la construction a récemment commencé. « Nous assistons à l’éclosion d’un écosystème mondial d’observatoires d’ondes gravitationnelles, techniquement robuste et scientifiquement prometteur », analyse Marie-Anne Bizouard. Celui-ci va monter en puissance au cours du siècle, avec en ligne de mire l’après Ligo-Virgo, à l’horizon 2040.


Illustration de l’interféromètre Lisa avec ses « bras » constitués par trois satellites positionnés aux sommets d’un triangle équilatéral de 2,5 millions de km de côté et reliés deux à deux par des faisceaux laser.

University of Florida / Simon Barke (CC BY 4.0)
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Et ce n’est pas tout puisque l’Agence spatiale européenne (ESA) vient de valider le projet d’interféromètre spatial Lisa, dont le décollage est envisagé pour 2035. Composé de trois satellites placés à plusieurs millions de kilomètres les uns des autres pour former un instrument gigantesque, il offrira un accès aux ondes gravitationnelles dans la partie du spectre autour du millihertz. Dans la galaxie, Lisa permettra d’observer des binaires de naines blanches, soit des astres résultant de la mort d’étoiles de type solaire. Il offrira ainsi une nouvelle façon d’étudier l’évolution des populations d’étoiles dans la Voie lactée. Mais surtout, l’interféromètre en orbite révèlera les trous noirs supermassifs logés au cœur des galaxies, dont le cycle de vie est relié à celui des galaxies et à l’évolution des grandes structures de l’Univers.

L’Einstein Telescope, pour accéder à tout l’Univers observable
Côté européen, le projet Einstein Telescope envisage la construction d’un instrument composé de trois bras de 10 kilomètres de long formant un triangle dans lequel opéreront six interféromètres : trois dans la gamme de fréquences couverte par Ligo-Virgo, et trois autres pour la détection d’ondes à plus basses fréquences, jusqu’à 1 Hz, de quoi en particulier mettre à portée de détection la phase de rotation qui précède la fusion de deux astres denses. Enterrée entre 100 et 150 mètres sous terre, la future infrastructure sera par ailleurs hermétique aux secousses sismiques, le tout augmentant la sensibilité de la détection d’un facteur 10 par rapport à l’existant. « Avec le Einstein Telescope, on vise l’instrument ultime, capable de détecter des événements dans la totalité de l’Univers observable, contre une distance de 2 milliards d’années-lumière actuellement, précise Patrice Verdier. Rien n’est encore acté, mais déjà 1 500 spécialistes ont travaillé sur le design de l’instrument. »


Les détecteurs de troisième génération seront capables d’observer les événements de fusion d’étoiles binaires à neutrons, ainsi que ceux des trous noirs stellaires, à des distances beaucoup plus grandes que les détecteurs actuels.

Istituto Nazionale di Fisica Nucleare
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Quant aux États-Unis, ils projettent la construction d’un instrument de surface dont les bras atteindraient entre 20 et 40 kilomètres de longueur, pour des performances comparables à celles de son cousin européen. « L’idée est de tester l’ensemble des technologies qui composeront ces deux instruments dans Virgo, Ligo et Kagra, de les figer dans le courant de la prochaine décennie, et d’attaquer ensuite la construction de ces interféromètres de troisième génération », précise le responsable France du Einstein Telescope.

Avec le Einstein Telescope, on vise l’instrument ultime, capable de détecter des événements dans la totalité de l’Univers observable.

Les scientifiques visent plus de statistiques bien sûr, qui permettront en particulier d’affiner la mesure de la constante de Hubble, et peut-être de trancher les tensions qui subsistent actuellement sur sa valeur. Mais également l’accès à de nouveaux phénomènes et processus astrophysiques, tels que l’évolution dans le temps des populations de binaires et, ce faisant, le lien entre évolution stellaire, évolution galactique et formation des grandes structures de l’Univers.
De leur côté, les spécialistes de physique nucléaire envisagent les fusions d’étoiles à neutrons tel un véritable laboratoire offrant des conditions inaccessibles sur Terre pour étudier la matière dans ses états extrêmes. Quant aux experts des supernovas, ils espèrent que les ondes gravitationnelles leurs donneront accès au cœur de ce phénomène explosif, quand l’astronomie traditionnelle ne permet que de l’observer en surface.
Un nouvel âge d’or pour l’astronomie
L’ensemble de ces moyens instrumentaux présents et à venir est aussi la garantie de pouvoir tester la relativité générale dans des configurations de champs de gravité extrêmement variées, correspondant à différents secteurs de la théorie. Comme l’explique Laura Bernard, au Laboratoire Univers et théories4, « en couvrant ainsi une large gamme de paramètres, l’objectif est de faire le tri entre les différentes théories au-delà de la relativité générale qui se proposent soit d’expliquer l’accélération de l’expansion de l’Univers, soit de réconcilier relativité générale et théorie quantique. » Cette dernière exigence est nécessaire pour accéder d’une part à la destinée de l’intérieur d’un trou noir, d’autre part pour retracer l’histoire de l’Univers jusqu’au Big Bang.

Dans le futur, si on parvient à séparer le fond cosmologique du fond astrophysique, on peut espérer obtenir des informations sur des phénomènes qui ont immédiatement succédé au Big Bang.

Pour ce faire, la piste des ondes gravitationnelles pourrait là aussi s’avérer la bonne. Plus précisément les ondes gravitationnelles de très basses fréquences, accessibles non pas via l’interférométrie mais en chronométrant le temps d’arrivée des impulsions radio émises par les pulsars (des étoiles à neutrons tournant très rapidement sur elles-mêmes) avec une régularité diabolique. Si bien que la plus légère désynchronisation est le signe du passage d’une onde gravitationnelle ayant modifié le temps de propagation des pulses.
De cette manière, plusieurs équipes ont indiqué en juin dernier avoir enregistré pour la première fois une signature de ce que les spécialistes appellent le fond diffus d’ondes gravitationnelles, soit le bruit de fond gravitationnel de l’Univers tout entier. Or celui-ci est une superposition d’innombrables signaux astrophysiques, mais également d’échos remontant pour certains jusqu’aux toutes premières fractions de seconde du cosmos.



ESA / Science office
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« Dans le futur, si on parvient à séparer le fond cosmologique du fond astrophysique, on peut espérer obtenir des informations sur des phénomènes qui ont immédiatement succédé au Big Bang, par exemple l'inflation cosmique, l'ère de grande unification des interactions fondamentales, et les transitions de phases vers la matière telle qu’on la connaît aujourd’hui… », anticipe Danièle Steer, au laboratoire Astroparticules et cosmologie5 et responsable du Groupement de recherche Ondes gravitationnelles. À quoi ressembleront ces signaux des origines ? « Ils sont liés à une physique que l’on ne connaît pas, poursuit la théoricienne, donc tout est possible ! »
Une chose est certaine, avec les ondes gravitationnelles, l’astronomie entre dans une ère nouvelle. « On vit un d’âge d’or, se réjouit Sarah Antier. Non seulement les ondes gravitationnelles renouvellent notre vision du cosmos, mais, de plus, les possibilités grandissantes de corréler leur observation avec des observations classiques, c’est-à-dire en ondes électromagnétiques, voire avec la détection d’émissions de neutrinos, promettent d’enrichir encore le panorama. » L’astrophysicienne ajoute : « Tous ces projets nécessitent une grande synergie de la part de communautés. C’est humainement très stimulant. » Ce que la science offre de plus beau. ♦
Pour aller plus loin
Notre dossier L'ère des ondes gravitationnelles.
Notes
*         1.
Unité CNRS/Université Claude Bernard Lyon 1.
*         2.
Unité CNRS/Université Savoie Mont-Blanc.
*         3.
Astrophysique relativiste, théories, expériences, métrologie, instrumentation, signaux, unité CNRS/Observatoire de la Côte d’Azur/Université Côte d’Azur.
*         4.
Unité CNRS/Observatoire de Paris-PSL.
*         5.
Unité CNRS/Université Paris-Cité.

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L'instrument Gravity confirme des prédictions de la relativité générale aux abords du trou noir super-massif au centre de la Galaxie

jeudi 26 juillet 2018

Sagittarius A* (Sgr A*) est situé, au cœur de notre galaxie, à 26 000 années-lumière de la Terre. D'une masse équivalente à quatre millions de fois celle du Soleil, ce trou noir est entouré d'un amas d'étoiles – les étoiles S – qui atteignent des vitesses vertigineuses lorsqu'elles s'en rapprochent. La relativité générale décrit l'influence de la matière sur le mouvement des astres, et ici plus particulièrement l'influence du trou noir sur les étoiles qui l'entourent. Dans ce contexte, les étoiles de Sgr A* constituent un laboratoire idéal pour tester la théorie de la relativité générale d'Einstein, celles-ci se trouvant dans le champ gravitationnel le plus intense de la Galaxie.

Trois instruments du VLT, NACO, SINFONI, et plus récemment Gravity, ont permis aux astronomes de suivre une étoile particulière du système de Sgr A*, nommée S2, avant et après son passage au plus près du trou noir, le 19 mai 2018. La précision atteinte par Gravity a été de 50 microsecondes d'angle, soit l'angle sous lequel une balle de tennis posée sur la Lune serait vue depuis la Terre. Avec cette précision, le mouvement de S2 a pu être détecté heure par heure au plus près du trou noir. Lorsque S2 est passée à seulement 120 fois la distance Terre-Soleil de Sgr A*, sa vitesse orbitale a atteint 8000 km/s, soit 2,7 % de la vitesse de la lumière. Ces conditions sont suffisamment extrêmes pour que l'étoile S2 subisse les effets de la relativité générale.
Les mesures déjà effectuées par NACO et SINFONI couplées à la précision de Gravity pour la position de S2 ont permis aux astronomes de mettre en évidence l'effet de rougissement gravitationnel prédit par la théorie d'Einstein. Ce dernier affecte les sources lumineuses soumises à un champ de gravité, ici celui du trou noir. Ce phénomène se traduit par un décalage de longueur d'ondes, détectées par l'instrument de mesure, vers le rouge. C'est la première fois que cet effet est mesuré pour le champ gravitationnel d'un trou noir.
Ces résultats, en parfait accord avec la théorie de la relativité générale (ils ne peuvent être expliqués par la théorie classique de Newton qui exclut un tel décalage), sont une avancée majeure pour mieux comprendre les effets des champs gravitationnels intenses. La détection des changements de la trajectoire de l'astre sous l'effet de la gravité est attendue dans quelques mois et pourrait apporter des informations sur la distribution de masse autour du trou noir.


Télécharger le communiqué de presse :


Notes :
1Gravity est un instrument de deuxième génération du VLTI, l'interféromètre du VLT. Son développement résulte d'une collaboration entre :
- l'Institut Max Planck pour la physique extraterrestre (MPE, Garching, Allemagne)
- le Laboratoire d'études spatiales et d'instrumentation en astrophysique (LESIA, Observatoire de Paris-PSL/CNRS/Sorbonne Université/Université Paris Diderot)
- l'Institut de Planétologie et d'Astrophysique de Grenoble (IPAG, Université Grenoble Alpes/CNRS)
- l'Institut Max Planck pour l'astronomie (MPIA, Heidelberg, Allemagne)
- l'Université de Cologne (Allemagne)
- le Centre d'astrophysique et de gravitation (CENTRA, Lisbonne et Porto, Portugal)
- l'Observatoire Austral Européen (ESO, Garching, Allemagne)

Références :
« Detection of the Gravitational Redshift in the Orbit of the Star S2 near the Galactic Centre Massive Black Hole », GRAVITY Collaboration, Astronomy & Astrophysics, juillet 2018. Doi : 10.1051/0004-6361/201833718

Contacts :
Guy Perrin, chercheur Observatoire de Paris l guy.perrin@obspm.fr l T 01 45 07 79 63

Karine Perraut, chercheuse Observatoire des sciences de l'Univers de Grenoble l karine.perraut@univ-grenoble-alpes.fr l T 04 76 63 55 15

Thibaut Paumard, chercheur CNRS l T 01 45 07 75 45 l thibaut.paumard@obspm.fr



Presse CNRS l Juliette Dunglas l T 01 44 96 51 51 l T 01 44 96 46 34 l juliette.dunglas@cnrs.fr

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Les supernovas


Spectaculaires mais rares, les supernovas sont des explosions cataclysmiques des étoiles les plus massives.

Publié le 10 décembre 2015


Pour que les nouveaux éléments synthétisés au cœur de l'étoile enrichissent l'Univers, encore faut-il qu'ils se répandent dans le milieu interstellaire.

DES ÉTOILES…
Les étoiles dont la masse est à peu près dix fois supérieure à celle du Soleil entretiennent tout d’abord la fusion de l’hydrogène en hélium pendant quelques millions d’années. À la fin de cette période, l’épuisement de l’hydrogène conduit à la contraction gravitationnelle du cœur jusqu’à ce que la température soit suffisamment élevée pour amorcer la fusion de l’hélium en carbone et en oxygène, pendant que l’hydrogène continue sa fusion dans une couche entourant le cœur. Après environ un million d’années, l’hélium s’épuise à son tour et la contraction du cœur permet la fusion du carbone en néon et en sodium, pendant dix mille ans. Suivent ensuite la fusion du néon en oxygène et en magnésium (qui dure une dizaine d’années), puis celle de l’oxygène en silicium et en soufre (pendant quelques années). Finalement, une semaine suffit à transformer le silicium en fer. L’apparition de ce dernier marque le début d’un processus qui aboutira à la destruction de l’étoile.
Le noyau du fer étant le plus lié (son énergie de liaison étant la plus forte), sa combustion ne permet pas de produire l’énergie que l’étoile rayonne inexorablement par sa surface.
Une fois le silicium épuisé et le fer formé, la contraction du cœur reprend, mais, cette fois, la température est si forte que les photons peuvent briser les noyaux de fer. La disparition d’une partie de l’énergie lumineuse diminue la pression centrale et précipite l’effondrement du cœur, attisé par la capture des électrons par les noyaux transformant les protons en neutrons. Cette réaction nucléaire s’accompagne d’une émission de neutrinos, qui emportent la phénoménale quantité d’énergie potentielle gravitationnelle dégagée par la contraction.
En quelques dixièmes de seconde, la matière atteint l’incroyable densité d’un million de tonnes par centimètre cube, l’équivalent d’une plate-forme pétrolière compactée dans le volume d’un dé à coudre !

…AUX SUPERNOVAS
Le cœur de l’étoile, désormais constitué de neutrons, se réduit à une petite sphère d’une dizaine de kilomètres de diamètre : une étoile à neutrons vient de se former, sur la surface rigide de laquelle le reste de l’étoile en effondrement vient s’écraser. La violente compression qui en résulte produit une onde de choc qui remonte à travers les couches externes de l’étoile. Son passage chauffe la matière à des températures supérieures au milliard de degrés et provoque des réactions de fusion qui produisent des éléments lourds, notamment du nickel et du cobalt radioactifs. Quand l’onde de choc atteint la surface, la température s’élève brutalement et l’étoile entière explose, éjectant les éléments qui la composent à des vitesses pouvant atteindre plusieurs dizaines de milliers de kilomètres par seconde. Cet événement, appelé « supernova », marque la mort d’une étoile massive.
Ressource multimédia


Explosion de la Supernova SN2014J

La supernova SN2014J a explosé en 2014. Grâce aux observations du satellite Integral, de l’ESA, qui détecta les rayons gammas des éléments radioactifs synthétisés durant l’explosion, les astrophysiciens ont eu la preuve que ce type de supernova est bien dû à l’explosion d’une naine blanche accrétant de la matière d’une étoile compagnon.

Cette séquence de vues d’artiste représente ces différentes étapes. L’image 1 montre une naine blanche, étoile dont la masse est voisine de celle du Soleil mais comprimée dans un volume équivalent à celui de la Terre, qui capte la matière d’une étoile compagnon.

Les mesures du satellite Integral suggèrent qu’une ceinture de gaz entoure l’équateur de la naine blanche (image 2).

Cette ceinture gazeuse détone (image 3) et déclenche l’explosion de l’étoile en supernova (image 4). La matière transformée par l’explosion entre en expansion rapide (image 5) et finit par devenir transparente aux rayons gammas (image 6).

ENRICHIR L’UNIVERS
L’influence des supernovas sur le milieu interstellaire se fera sentir pendant des millions d’années, car cette explosion propulse les noyaux synthétisés durant toute la vie de l’étoile, ainsi que ceux qui furent produits lors du passage de l’onde de choc.
Petit à petit, les supernovas enrichissent ainsi le milieu interstellaire en nouveaux noyaux, qui entreront dans la composition de futures étoiles et de leurs éventuelles planètes.
Absents au début de l'Univers, ces noyaux lourds ne représentent aujourd'hui que 2 % des atomes de matière. Les noyaux rencontrés sur Terre sont quasiment tous issus de la nucléosynthèse stellaire, et le fer ne provient que des supernovas.
Les chercheurs ont longtemps cru que les supernovas offraient les bonnes conditions pour former les noyaux plus lourds que le fer, au moment de l’explosion, lorsque des noyaux lourds sont exposés à un intense flux de
neutrons.
Selon la masse initiale de l’étoile, l’implosion du cœur de fer laisse subsister un objet compact nommé étoile à neutrons. Des modèles développés ces dix dernières années suggèrent que la formation des éléments les plus lourds, comme l'or, nécessite la rencontre de deux étoiles à neutrons pour former un trou noir. Cet événement se manifeste par l’émission d’un flash de rayonnement gamma durant une fraction de seconde, un « sursaut gamma » si puissant qu’il est observable jusqu'à des distances cosmologiques.
La formation de l’or, et plus généralement des noyaux plus lourds que le fer, passerait donc par l’évolution d’étoiles beaucoup plus massives que le Soleil dont l’explosion donne naissance à des étoiles à neutrons, puis par la coalescence explosive de ces étoiles à neutrons en un trou noir. On comprend pourquoi l’or est cher : il est rare et l’Univers a beaucoup peiné pour le produire !

Nous sommes tous constitués
de poussières d’étoiles.
LES DIFFÉRENTS TYPES DE SUPERNOVAS
À la classification spectroscopique traditionnelle (avec ou sans hydrogène dans le spectre) s’est substituée récemment une distinction physique caractérisant le mode d’explosion : thermonucléaire ou gravitationnel.

Les supernovas thermonucléaires
Lorsque deux étoiles cohabitent, elles tournent autour de leur centre de gravité commun en un système binaire.
Les supernovas thermonucléaires surviennent dans les systèmes binaires formés d’une géante rouge en fin de vie et d’une naine blanche. La matière de la première peut tomber sur la seconde ; lorsque la masse de la naine blanche atteint 1,4 fois celle du Soleil, elle devient instable, s’effondre et explose.
Toute la matière est dispersée dans l’espace, il ne reste rien au centre de la supernova.

Les supernovas gravitationnelles
Une supernova gravitationnelle correspond à l’explosion d’une étoile massive en fin de vie. L’implosion de son cœur, devenu instable au moment de la combustion du silicium en fer, est rapidement suivie de l’expulsion de son enveloppe. Cet effondrement gravitationnel central libère une fabuleuse énergie (des milliards de fois supérieure à la luminosité de notre Soleil !), essentiellement sous forme de neutrinos. Seul un dix millième de l’énergie totale se manifeste sous forme de lumière visible.

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PHYSIQUE

Découverte du champ magnétique le plus puissant jamais observé dans l'Univers

Par Marine Benoit le 18.07.2022 à 19h00

Ecouter 4 min.
Un champ magnétique d'une puissance encore jamais observée dans l'Univers - l'équivalent de un million de milliards de fois celui de la Terre - a été mesuré par une équipe d'astronomes chinois. Cette dernière l'attribue à un magnétar présent dans notre galaxie.

Illustration d'une étoile à neutrons intensément magnétique - un magnétar - qui émet un puissant éclat de rayons X.

NASA’S GODDARD SPACE FLIGHT CENTER/CHRIS SMITH (USRA)
1,6 milliard de Tesla ! Il s’agit de la puissance du champ magnétique de surface la plus forte jamais enregistrée dans l’Univers connu. Ce champ magnétique record émane de ce que l'on appelle un magnétar ultralumineux à rayons X – plus précisément de l’étoile à neutrons Swift J0243.6+6124 -, qui est en train de cannibaliser un autre pulsar avec lequel il forme un (mortel) tandem. Il bat ainsi de 600 millions de Tesla le précédent record, attribué en 2020 au pulsar GRO J1008-57, et équivaut à un million de milliards de fois le champ magnétique de la Terre.  

Ces résultats, obtenus conjointement par l’Institut de physique des hautes énergies (IHEP) de l'Académie chinoise des sciences et par le Centre Kepler de physique des particules et d'astrophysique de l'Université de Tübingen (IAAT), ont été obtenus grâce au Hard X-ray Modulation Telescope (HXMT) ou instrument Insight-HXMT, un satellite chinois lancé en juin 2017 pour en apprendre plus sur les étoiles à neutrons, les trous noirs, les sursauts gamma et tout autre phénomène émettant des rayons X et gamma. Les conclusions des chercheurs ont été publiées le 28 juin 2022 dans la revue Astrophysical Journal Letters.

Les magnétars, objets rares
Les magnétars sont souvent décrits comme les "aimants les plus puissants de l'Univers". Il s’agit plus précisément d'étoiles à neutrons en rotation qui puisent leur énergie de champs magnétiques extrêmement puissants, les plus intenses de l'Univers. Ils sont beaucoup plus rares que les pulsars (un autre type d’étoiles à neutrons), et nous n'en dénombrons que quelques-uns dans notre galaxie.
Lorsque les étoiles à neutrons naissent lors de l'explosion en supernova d'une étoile massive, ces particules chargées peuvent brièvement créer un puissant champ magnétique. Dans les étoiles à neutrons "classiques", le champ magnétique disparaît rapidement en raison de toute la physique complexe qui se produit dans l'explosion. Mais chez certaines étoiles à neutrons, le champ magnétique "se bloque" avant que cela ne se produise. Dès lors, l'étoile à neutrons enfin révélée devient un magnétar.


Les traces d'un festin comme outil de mesure
Notre Swift J0243.6+6124, lui, est plus qu'un "simple" magnétar. Non seulement, il réside dans notre Voie lactée, mais il désigne en réalité un système binaire à rayons X d'étoiles à neutrons, un objet des plus extrêmes composé d'une étoile à neutrons et de son étoile compagnon. Sous l'effet de la colossale force gravitationnelle de l'étoile à neutrons, le gaz de l'étoile compagnon tombe vers l'étoile à neutrons, formant un disque d'accrétion. En "glissant" le long de lignes magnétiques jusqu’à la surface de l’étoile à neutrons, le plasma du disque d'accrétion s’enflamme alors, libérant de puissants rayons X qui, avec la rotation de l'étoile, se traduisent par des signaux périodiques de pulsation de rayons X (d'où le nom de "pulsar d'accrétion de rayons X" pour ces objets).
Dans le spectre de ces rayons X, les astronomes ont trouvé une ligne d'absorption causée par les électrons qui éliminent les rayons X et qui ne peuvent se comporter ainsi que s'ils sont alimentés par un champ magnétique. C'est donc grâce à cette observation qu'ils ont pu mesurer directement l'intensité du champ magnétique.

Cette ligne d’absorption a fini par révéler une énergie allant jusqu'à 146 keV, ce qui correspond à un champ magnétique de surface de plus de 1,6 milliard de Tesla. Il s'agit non seulement du champ magnétique le plus puissant directement mesuré dans l'Univers à ce jour, mais aussi de la première détection d'une ligne d'absorption de cyclotron électronique dans une source de rayons X ultralumineux, fournissant une mesure directe du champ magnétique de surface de l'étoile à neutrons. À bon entendeur, les magnétars : un nouveau record de puissance est à battre.

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