Collision stellaire

Ken Tapping, le 25 octobre 2017

Dans le ciel, cette semaine…

  • Saturne apparaît au sud-ouest à l’horizon où elle se fond dans les lueurs du crépuscule.
  • Vénus brille avec intensité très bas dans le ciel à l’aube; Mars, beaucoup plus pâle, la surplombe.
  • La Lune entrera dans son premier quartier le 28.

Il y a quelque 130 millions d’années, deux étoiles à neutrons sont entrées en collision. L’impact a créé des distorsions dans le tissu espace-temps, appelées ondes gravitationnelles, qui se sont propagées à la vitesse de la lumière. Cent trente millions d’années plus tard, nos instruments ont capté ces ondes. Une année-lumière, on le rappellera, est la distance que parcourt la lumière en une année, soit tout juste un peu moins de 1E13 (un 1 suivi de 13 zéros) kilomètres. L’intérêt de cet évènement, c’est qu’il a d’abord été détecté par ses ondes gravitationnelles, puis confirmé par des observations effectuées au moyen de nombreux télescopes, lesquelles ont fourni une mine de données exceptionnelles. De plus, il s’agit sans doute de la première fois que nous observons de façon simultanée la formation d’un trou noir au moyen de nombreux instruments.

C’est Albert Einstein, en 1916, qui le premier a émis l’hypothèse de l’existence des ondes gravitationnelles. Il avait alors proposé que la gravité, au lieu d’être une force, comme le pensait Newton, était plutôt une distorsion de l’espace-temps induite par les objets qui s’y trouvaient. Plus les objets étaient massifs ou plus la matière était comprimée, plus la distorsion était grande. Imaginez des balles de taille et de poids différents qui tomberaient sur une toile de caoutchouc tendue. De la même façon que l’impact créerait des rides sur la toile, les explosions et les autres chocs cosmiques créent des ondes dans l’espace-temps, et les objets qui les traversent forment un bourrelet devant eux et un sillage derrière. Einstein croyait que les ondes gravitationnelles, vu leur faiblesse, demeureraient une curiosité théorique. Toutefois, comme la détection de ces ondes devait être la validation ultime de sa théorie de la relativité générale, les scientifiques n’ont pas cessé, pendant de longues années, de continuer à les chercher.

En 2015, l’interféromètre gravitationnel (LIGO), qui était muet depuis sa construction en 2002, a été doté de détecteurs plus sensibles. L’année suivante, il détectait la collision de deux trous noirs, puis les ondes gravitationnelles produites par deux autres fusions de trous noirs. Einstein avait donc vu juste! Et c’était avant le coup de théâtre qui devait se produire en août dernier. Le 17 août plus précisément, l’observatoire LIGO a détecté une fluctuation causée par des ondes gravitationnelles. Deux secondes plus tard, le télescope spatial Fermi captait deux sursauts gamma courts. Ces salves électromagnétiques à ultra-haute énergie sont des indicateurs de cataclysmes cosmiques. Le LIGO et le télescope Fermi ayant établi de quel secteur du ciel provenaient ces ondes, une armée de télescopes a été braquée dans cette direction. Au bout de 11 heures, un télescope au Chili découvrait la source de ces ondes dans la galaxie NGC 4993, dans la constellation de l’Hydre. Dans les jours qui ont suivi, des télescopes de partout ont scruté ce point du cosmos jusqu’à ce que l’énergie de l’explosion s’estompe. Pour les astrophysiciens, cela ne faisait aucun doute : ils avaient été témoin de la fusion de deux étoiles à neutrons et peut-être même de la naissance d’un trou noir.

Les étoiles à neutrons sont les vestiges de l’explosion d’une étoile massive. Sous le choc, le cœur de l’étoile se comprime avec une telle force que les atomes — essentiellement du vide dans lequel des électrons orbitent autour d’un noyau de protons et de neutrons — s’effondrent. La force de l’impact catapulte les électrons dans le noyau, où ils fusionnent avec les protons pour former des neutrons. Il en résulte une sphère de quelques kilomètres de diamètre, composée uniquement de neutrons, mais ayant la masse d’une étoile. Une cuillérée de ces neutrons pèserait 100 millions de tonnes.

La fusion de deux étoiles à neutrons peut produire des forces encore plus grandes. Il existe cependant un seuil où la force gravitationnelle d’un objet peut vaincre sa résistance à l’effondrement. En théorie, un objet ayant atteint ce seuil rétrécirait à l’infini. On peut remettre en question l’idée qu’un objet puisse se contracter jusqu’au point d’avoir un rayon nul et une densité infinie, mais si la matière se contracte suffisamment, elle déformera l’espace-temps autour d’elle, qui se refermera derrière une frontière ne pouvant être franchie que dans un sens — l’horizon des évènements. L’objet sera alors devenu un trou noir.

Ken Tapping est astronome à l'Observatoire fédéral de radioastrophysique du Conseil national de recherches du Canada, à Penticton (C.-B.) V2A 6J9.

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