lundi 16 octobre 2017

Une découverte majeure pour l'astrophysique

La nouvelle tant attendue depuis la fuite du 25 août dernier, qui fut à l'origine d'une rumeur comme on ne les aime pas trop, vient d'être rendue publique lors d'une grande conférence de presse par les leaders de plusieurs observatoires, à commencer par les observatoires LIGO et EGO-Virgo. L'article scientifique principal décrivant la découverte est le fruit d'une gigantesque collaboration à la taille de toute la communauté astrophysique, il a été écrit par 3500 co-auteurs... Et à côté de cet article paru en accès libre dans Physical Review Letters, plusieurs dizaines d'autres articles se focalisant sur certains aspects des nombreuses observations paraissent également aujourd'hui dans Nature, Nature Astronomy, Science, et Astrophysical Journal Letters (voir la très longue liste à la fin de ce billet)...




Signaux gamma de Fermi et Integral et signal gravitationel
de LIGO+EGO-Virgo (Abbott et al. "Gravitational Waves and
Gamma Rays from a Binary Neutron Star Merger: GW170817
and GRB 170817A."2017, ApJL, 848, L13.)
C'est donc bien d'une collision de deux étoiles à neutrons qu'il s'agit, et cet événement à donné lieu à plusieurs contreparties dans diverses longueurs d'ondes, des rayons gamma aux ondes radio en passant par les rayons X, le visible et les infra-rouges, ce qui permet aux spécialistes de comprendre en détails ce qui s'est passé dans cette collision/fusion/explosion.

L'événement a eu lieu le 17 août 2017 et porte les noms GW170817 et GRB170817A, on appelle également ce type de cataclysme une kilonova ou encore une macronova (avec ici le petit nom SSS17a), pour ce qui concerne l'émission optique (de l'UV aux infra-rouges) . Le télescope spatial Fermi a détecté le GRB (Gamma Ray Burst)  1,7 seconde après le signal gravitationnel de LIGO et Virgo. La source a pu être localisée par le signal gravitationnel des trois interféromètres dans une région du ciel s'étendant sur 28 degrés². Il s'agit du signal distinctif de la coalescence de deux étoiles à neutrons, situées à seulement 40 mégaparsecs (130 millions d'années-lumière), dans la galaxie NGC 4993. C'est le signal gravitationnel le plus proche jamais détecté. Ces étoiles à neutrons avaient une masse comprise entre de 1,17 et 1,60 masses solaires, pour une masse totale de 2,74 masses solaires, d'après les paramètres des ondes détectées.
Suite à ces premières détections gravitationnelles et gamma, une vaste campagne d'observations dans toutes les longueurs d'ondes, y compris la recherche de neutrinos, a très vite été lancée et a permis d'observer des signaux permettant de comprendre les processus qui ont eu lieu lors de cette fusion d'étoiles à neutrons. 
Un flash d'ultra-violets est apparu très tôt avant de disparaître en 48 heures, suivi par une émission en visible et en infra-rouge qui a persisté  environ 10 jours, présentant tous les aspects d'une kilonova. Des émissions de rayons X ont par la suite été détectées par le télescope spatial Chandra à la même position, mais 9 jours après le signal gravitationnel, et puis des émissions d'ondes radio ont enfin été détectées par le réseau VLA à T0+ 16 jours. Toutes ces observations mises en commun ont permis de localiser très précisément la source unique dans la galaxie NGC 4993.
Localisation de GW170817 par de multiples observations (gravitationnelles, gamma, optique)
(Abott et al. 2017, ApJL, 848, L13)
Les astrophysiciens expliquent que les rayons X et les ondes radio ont été produits par un processus physique différent de celui de la fusion proprement dite:  les effets de l'éjection de jets de matière à grande vitesse qui ont suivi la fusion. Aucun rayon gamma de ultra-haute énergie ni de neutrinos n'ont en revanche pu être détectés en association avec GW170817/GRB170817A. 
Les données permettent de dire que la kilonova tire son énergie de la décroissance radioactive de noyaux lourds qui ont été formés dans la collision des deux étoiles à neutrons dans le processus physique  appelé "processus-r". C'est la première fois que le processus de formation des noyaux lourds comme l'or ou le platine est observé directement, alors qu'il avait été prédit il y a plus d'une vingtaine d'années. Oui, le bijou en or qui orne votre doigt ou votre cou a été produit lors d'une collision d'étoiles à neutrons!
La galaxie NGC4993 imagée par le Very Large Telescope de l'ESO, la kilonova correspondant au GRB170817A et à l'événement GW170817 est située par la flèche rouge (ESO).
A partir de cette observation de GW170817, les chercheurs calculent le taux d'occurence de ces fusions d'étoiles à neutrons et trouvent qu'en 1 an, il doit y en avoir environ 1540 par gigaparsec cube (c'est à dire dans un cube de 3,26 milliards d' années-lumière de côté).
Concernant le produit de la fusion des étoiles à neutrons, on ne sait pas encore si il s'agit d'une grosse étoile à neutrons ou bien d'un petit trou noir. Ce serait d'ailleurs l'un des trous noirs les plus légers que l'on connaisse. De plus amples études seront nécessaires pour éclaircir ce point.
On sait donc désormais avec certitude que les phénomènes de bouffées courtes de rayons gamma (GRB courts), de kilonova ou macronova et de coalescence d'étoiles à neutrons ne sont que les différentes facettes du même phénomène : la fusion d'un couple d'étoiles à neutrons qui produit un jet de rayonnement et de matière constituée des noyaux les plus lourds de la table de Mendeleïev.


La différence de temps d'arrivée de 1,7 s entre les ondes gravitationnelles et les photons gamma initiaux a été également exploitée pour tester la théorie de la relativité générale, comme la vitesse des ondes gravitationnelles, l'invariance de Lorentz ou encore le principe d'équivalence. Le fait de connaître la distance de cette fusion d'étoiles à neutrons grâce à l'amplitude des ondes gravitationnelles et par ailleurs la vitesse de récession grâce au décalage vers le rouge (redshift) obtenu par les photons, permet également de calculer d'une nouvelle manière la constante de Hubble H0 (dont la valeur est toujours controversée aujourd'hui). Malheureusement, les chercheurs trouvent ici une valeur presque exactement au milieu des deux valeurs antagonistes obtenues d'une part via les supernovae et les céphéides et d'autre part via le fond diffus cosmologique : 70,0 km/s/Mpc, avec en revanche une grosse incertitude de l'ordre de ±10 km/s/Mpc...

On le voit, ces observations conjointes du même phénomène donnent de précieuses informations dans plusieurs domaines : l'astrophysique, la physique de la matière dense, la physique nucléaire, la gravitation, et bientôt la cosmologie. Finalement, cette découverte revêt une importance particulière car elle donne naissance à ce qu'on appelle l'astronomie des multimessagers : ondes gravitationnelles et photons, qui s'enrichira probablement dans un futur proche avec des astroparticules, rayons cosmiques ou neutrinos.

Revivez cette découverte majeure annoncée aujourd'hui par les observatoires gravitationnels et de nombreux autres associés : 



Sources 

GW170817: Observation of Gravitational Waves from a Binary Neutron Star Inspiral
B. P. Abbott et al. (LIGO Scientific Collaboration and Virgo Collaboration)
Phys. Rev. Lett. 119, 161101 (16 October 2017)
https://journals.aps.org/prl/references/10.1103/PhysRevLett.119.161101

Multi-messenger Observations of a Binary Neutron Star Merger
B. P. Abbott et al.
The Astrophysical Journal Letters, Volume 848, Number 2 (2017 October 16 )
http://iopscience.iop.org/article/10.3847/2041-8213/aa91c9


Liste des publications scientifiques relatives à cette découverte conjointe : 

GW170817: Observation of Gravitational Waves from a Binary Neutron Star Inspiral
B. P. Abbott et al. (LIGO Scientific Collaboration and Virgo Collaboration)
Phys. Rev. Lett. 119, 161101 (16 October 2017)
https://journals.aps.org/prl/references/10.1103/PhysRevLett.119.161101

Multi-messenger Observations of a Binary Neutron Star Merger

B. P. Abbott et al.
The Astrophysical Journal Letters, Volume 848, Number 2 (2017 October 16 )
http://iopscience.iop.org/article/10.3847/2041-8213/aa91c9

Gravitational Waves and Gamma-Rays from a Binary Neutron Star Merger: GW170817 and GRB 170817A
LIGO Scientific Collaboration and Virgo Collaboration, Fermi Gamma-ray Burst Monitor, and INTEGRAL
The Astrophysical Journal Letters, Volume 848, Number 2 (2017 October 16 )
http://iopscience.iop.org/article/10.3847/2041-8213/aa920c/meta

An Ordinary Short Gamma-Ray Burst with Extraordinary Implications: Fermi-GBM Detection of GRB 170817A
A. Goldstein et al.
The Astrophysical Journal Letters, Volume 848, Number 2 (2017 October 16 )

INTEGRAL Detection of the First Prompt Gamma-Ray Signal Coincident with the Gravitational-wave Event GW170817
V. Savchenko et al.
The Astrophysical Journal Letters, Volume 848, Number 2 (2017 October 16 )

The Electromagnetic Counterpart of the Binary Neutron Star Merger LIGO/Virgo GW170817. I. Discovery of the Optical Counterpart Using the Dark Energy Camera
M. Soares-Santos et al.
The Astrophysical Journal Letters, Volume 848, Number 2 (2017 October 16 )

The Electromagnetic Counterpart of the Binary Neutron Star Merger LIGO/Virgo GW170817. II. UV, Optical, and Near-infrared Light Curves and Comparison to Kilonova Models
P. S. Cowperthwaite et al.
The Astrophysical Journal Letters, Volume 848, Number 2 (2017 October 16 )
http://iopscience.iop.org/article/10.3847/2041-8213/aa8fc7/meta

The Electromagnetic Counterpart of the Binary Neutron Star Merger LIGO/Virgo GW170817. III. Optical and UV Spectra of a Blue Kilonova from Fast Polar Ejecta
M. Nicholl et al.
The Astrophysical Journal Letters, Volume 848, Number 2 (2017 October 16 )

The Electromagnetic Counterpart of the Binary Neutron Star Merger LIGO/Virgo GW170817. IV. Detection of Near-infrared Signatures of r-process Nucleosynthesis with Gemini-South
R. Chornock et al.
The Astrophysical Journal Letters, Volume 848, Number 2 (2017 October 16 )



The Electromagnetic Counterpart of the Binary Neutron Star Merger LIGO/Virgo GW170817. V. Rising X-Ray Emission from an Off-axis Jet
R. Margutti et al.
The Astrophysical Journal Letters, Volume 848, Number 2 (2017 October 16 )
http://iopscience.iop.org/article/10.3847/2041-8213/aa9057/meta

The Electromagnetic Counterpart of the Binary Neutron Star Merger LIGO/Virgo GW170817. VI. Radio Constraints on a Relativistic Jet and Predictions for Late-time Emission from the Kilonova Ejecta
K. D. Alexander et al.
The Astrophysical Journal Letters, Volume 848, Number 2 (2017 October 16 )

The Electromagnetic Counterpart of the Binary Neutron Star Merger LIGO/Virgo GW170817. VII. Properties of the Host Galaxy and Constraints on the Merger Timescale
P. K. Blanchard et al.
The Astrophysical Journal Letters, Volume 848, Number 2 (2017 October 16 )
http://iopscience.iop.org/article/10.3847/2041-8213/aa9055/meta

The Electromagnetic Counterpart of the Binary Neutron Star Merger LIGO/Virgo GW170817. VIII. A Comparison to Cosmological Short-duration Gamma-Ray Bursts
W. Fong et al.
The Astrophysical Journal Letters, Volume 848, Number 2 (2017 October 16 )
http://iopscience.iop.org/article/10.3847/2041-8213/aa9018/meta

The Discovery of the Electromagnetic Counterpart of GW170817: Kilonova AT 2017gfo/DLT17ck
Stefano Valenti et al.
The Astrophysical Journal Letters, Volume 848, Number 2 (2017 October 16 )

A Deep Chandra X-Ray Study of Neutron Star Coalescence GW170817
Daryl Haggard et al.
The Astrophysical Journal Letters, Volume 848, Number 2 (2017 October 16 )

The Unprecedented Properties of the First Electromagnetic Counterpart to a Gravitational-wave Source
M. R. Siebert et al.
The Astrophysical Journal Letters, Volume 848, Number 2 (2017 October 16 )
http://iopscience.iop.org/article/10.3847/2041-8213/aa905e/meta

The Emergence of a Lanthanide-rich Kilonova Following the Merger of Two Neutron Stars
N. R. Tanvir et al.
The Astrophysical Journal Letters, Volume 848, Number 2 (2017 October 16 )
http://iopscience.iop.org/article/10.3847/2041-8213/aa90b6/meta

The Environment of the Binary Neutron Star Merger GW170817
A. J. Levan et al.
The Astrophysical Journal Letters, Volume 848, Number 2 (2017 October 16 )

Observations of the First Electromagnetic Counterpart to a Gravitational-wave Source by the TOROS Collaboration
M. C. Díaz et al.
The Astrophysical Journal Letters, Volume 848, Number 2 (2017 October 16 )

The Old Host-galaxy Environment of SSS17a, the First Electromagnetic Counterpart to a Gravitational-wave Source
Y.-C. Pan et al.
The Astrophysical Journal Letters, Volume 848, Number 2 (2017 October 16 )

The Distance to NGC 4993: The Host Galaxy of the Gravitational-wave Event GW170817
Jens Hjorth, et al.
The Astrophysical Journal Letters, Volume 848, Number 2 (2017 October 16 )

The Rapid Reddening and Featureless Optical Spectra of the Optical Counterpart of GW170817, AT 2017gfo, during the First Four Days
Curtis McCully et al.
The Astrophysical Journal Letters, Volume 848, Number 2 (2017 October 16 )
http://iopscience.iop.org/article/10.3847/2041-8213/aa9111/meta

Optical Follow-up of Gravitational-wave Events with Las Cumbres Observatory
Iair Arcavi et al.
The Astrophysical Journal Letters, Volume 848, Number 2 (2017 October 16 )

A Neutron Star Binary Merger Model for GW170817/GRB 170817A/SSS17a
A. Murguia-Berthier et al.
The Astrophysical Journal Letters, Volume 848, Number 2 (2017 October 16 )


The X-ray counterpart to the gravitational-wave event GW170817
E. Troja et al.
Nature (2017) 
http://dx.doi.org/10.1038/nature24290

Spectroscopic identification of r-process nucleosynthesis in a double neutron star merger”
E. Pian et al.
Nature

The emergence of a lanthanide-rich kilonova following the merger of two neutron stars”, 
N. R. Tanvir et al.
Astrophysical Journal Letters

The electromagnetic counterpart to a gravitational wave source unveils a kilonova”
S. J. Smartt et al.
Nature

The unpolarized macronova associated with the gravitational wave event GW170817
S. Covino et al.
Nature Astronomy

The Distance to NGC 4993 — The host galaxy of the gravitational wave event GW17017
 J. Hjorth et al. 
Astrophysical Journal Letters

The environment of the binary neutron star merger GW170817
A. J. Levan et al.
Astrophysical Journal Letters

Gravitational Waves and Gamma-Rays from a Binary Neutron Star Merger: GW170817 and GRB170817A
Astrophys. J. Lett.

A Gravitational-Wave Standard Siren Measurement of the Hubble Constant
Nature

Estimating the Contribution of Dynamical Ejecta in the Kilonova Associated with GW170817
Accepted by Astrophys. J. Lett.

GW170817: Implications for the Stochastic Gravitational-Wave Background from Compact Binary Coalescences
Submitted to Phys. Rev. Lett.

On the Progenitor of Binary Neutron Star Merger GW170817
Accepted by Astrophys. J. Lett.

Search for High-energy Neutrinos from Binary Neutron Star Merger GW170817 with ANTARES, IceCube, and the Pierre Auger Observatory
(authored by the ANTARES, IceCube, Pierre Auger, LIGO Scientific, and Virgo Collaborations)
Submitted to Astrophys. J. Lett.

6 commentaires :

Anonyme a dit…

Merci pour cet article.

Pourquoi cette différence d’arrivée entre les ondes gravitationnelles et les rayonnements gammas? Est-ce parce que les rayonnements sont absorbés et réémis durant leur voyage, au contraire des ondes gravitationnelles ?

Merci

Dr Eric SIMON a dit…

Il faut se rappeler que la bouffée gamma est émise par le jet axial du résidu formé par la fusion, il y a donc une certaine durée entre le t0 du merger (la fin du train d'ondes gravitationnelles), le début de la fusion proprement dite, et l'apparition du jet, une fois le résidu formé. C'est cet écart temporel qui est observé. A l'énergie des photons considérés, il n'y a pas d'atténuation par le milieu interstellaire/intergalactique.

Iris Vauvenargues a dit…

Bonjour,
Je ne suis pas sûr d'avoir bien compris : les ondes gravitationnelles nous sont parvenues puis 1,7 s plus tard on a commencé à détecter les bouffées gammas liées à la fusion des deux étoiles à neutron. Mais comment les radiotélescopes et télescopes du monde entier ont-ils pu se diriger vers la galaxie, siège de cet évènement, en moins de 1,7 s à partir de la détection de ligo et virgo ?
Les ondes gravitationnelles, avaient-elles commencé à nous parvenir bien avant, pendant notamment le rapprochement des deux étoiles ? et combien de temps dure ce rapprochement ?

Merci.

Dr Eric SIMON a dit…

Les bouffées gamma sont détectées par des télescopes gamma en orbite, ils détectent en continu tout ce qui arrive en temps réel provenant de toutes les directions, c'est par exemple le cas des télescopes Fermi et Integral.
Ce train d'ondes gravitationnelles a duré beaucoup plus longtemps que dans le cas des fusions de trous noirs : plusieurs dizaines de secondes. Mais effectivement, les télescopes terrestres n'ont pas le temps de pointer dans une direction donnée en un si court instant. Ça a été fait quelques minutes plus tard.

Pascal a dit…

Bonjour,

Je suis perplexe devant l'estimation de 1540 fusions d'EN / an et par volume sphérique de 2020 AL de rayon (soit 1 Gpc cube); un tel nombre d’événements aussi proches (dans notre environnement galactique ) devrait nous apparaître des milliards de fois plus puissants (tant pour les GW que les GRB ou en optique) que celui du 170817, situé à 40 Mpc, soit au moins 20 000 fois plus loin... Clairement, ce n'est pas le cas, et même si la collimation des jets rend les GRB décelables moins fréquents, ce n'est pas le cas des GW ni de la décroissance radioactive. Le volume considéré n'est-il pas plutôt un cube d'1 Gpc de côté ?

Par ailleurs, on n'a pas détecte de neutrinos, la théorie en prévoit-elle ?

Dr Eric SIMON a dit…

Oui, vous avez raison, l'expression utilisée dans la publi est : R= 1540 Gpc-3.yr-1 (j'omets ici les incertitudes (qui sont très importantes : -1220, +3200). Il faut comprendre (Gpc)-3 et non G (pc)-3. Effectivement, cela m'avait aussi étonné mais trop d'enthousiasme m'a aveuglé. Merci, je vais corriger.