Compte rendu de la conférence de la SAF du 13 octobre 2017

CONTREPARTIES LUMINEUSES AUX ONDES GRAVITATIONELLES 

 
Vue d’artiste de la coalescence de deux étoiles à neutrons.  Crédit NASA/Swift/Dana Berry

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Conférence donnée par Frédéric Daigne

Astrophysicien IAP, Université Pierre et Marie Curie

Les ondes gravitationnelles sont une déformation du tissu de l’espace-temps qui se propage à la vitesse de la lumière. Elles ont été prédites par Einstein en 1916. C’est une manifestation de la courbure de l’espace-temps. Elles sont engendrées par l’accélération de la matière.

Principe de détection : il est basé sur l’interférométrie Laser, on mesure la déformation (minime, 10-21) de la longueur des bras. Les ondes gravitationnelles ne déforment pas la longueur de chaque bras de la même façon. Ce sont les instruments LIGO, VIRGO et GEO qui sont pour le moment en service ou vont l’être bientôt.

D’où viennent les objets compacts (trous noirs et étoiles à neutrons) ?

Les étoiles moyennes, comme notre Soleil, quand elles ont consommé leur hydrogène, se transforment en géantes rouges et finalement elles explosent en donnant naissance à une nébuleuse planétaire ayant en son centre une naine blanche.

Les étoiles plus massives explosent en supernovæ. Une supernova peut aussi évoluer en fonction de la masse de l’étoile et donner naissance soit à une étoile à neutrons de densité gigantesque, soit à un trou noir, si la masse de l’étoile est très importante.

Les systèmes binaires

La matière libérée au moment de la coalescence participe à la nucléosynthèse des éléments lourds (au-delà du Fer). Ces éléments ne proviennent pas seulement de ce que l’on croyait avant : des supernovæ. Il semble bien que la coalescence d’étoiles à neutrons soit plus efficace que les supernovæ pour former les éléments au-delà du Fer.

Et la contrepartie lumineuse  ?

La coalescence de deux étoiles à neutrons est suivie par une émission lumineuse dans le domaine gamma (c’est un sursaut gamma), mais aussi dans le domaine visible. Ce serait une des origines des sursauts gamma courts. Cela proviendrait d’un élément compact moins lumineux qu’une supernova, ce que l’on va appeler kilonova.

Les sursauts gamma

Les sursauts gamma (ou GRB) sont des flashs très énergétiques de rayonnement gamma.Ils sont classés en deux categories :

  • Les GRB courts : moins de 2 sec
  • Les GRB longs : plus de 2 sec

La question se pose alors de savoir quel est l’événement qui produit le GRB? Il y a principalement deux causes : des étoiles très massives qui s’effondrent en trou noir, ou des systèmes stellaires binaires (coalescence) comportant soit une étoile à neutrons soit un trou noir. La première catégorie est généralement accompagnée d’un GRB et donne des sursauts « longs » et la deuxième des sursauts « courts ». Ces sursauts semblent provenir de très loin.

Les sursauts gamma sont les sources les plus énergétiques de l’Univers. Les sursauts longs sont principalement associés aux explosions d’étoiles massives, tandis que les courts semblent être associés à la coalescence de deux étoiles à neutrons.

Nouvelle mission dédiée aux GRB

C’est la mission sino-française sur laquelle travaille notre conférencier : SVOM pour Space based multi-band astronomical Variable Objects Monitor. La mission SVOM est un projet dédié à la détection et à l’étude détaillée des sursauts gamma dont le lancement est prévu pour 2021.

Conclusion

  • Avec les premières détections directes d’ondes gravitationnelles (coalescences de deux trous noirs de masse stellaire), une nouvelle fenêtre pour l’astronomie vient de s’ouvrir.
  • Du point de vue de la détection des ondes gravitationnelles : le prochain défi consiste à détecter d’autres sources, en particulier des coalescences de deux étoiles à neutrons.
  • Du point de vue de l’astronomie « multi-messagers », le défi suivant consistera à détecter une émission lumineuse associée à une émission gravitationnelle. Les sources les plus prometteuses sont l’association « coalescence de deux étoiles à neutrons – sursaut gamma court – kilonova ».
  • Du point de vue instrumental, c’est un défi extrêmement compliqué. Des projets comme SVOM s’y attaquent.

Les deux fenêtres sont très complémentaires. Les ondes gravitationnelles nous renseignent sur l’événement initial et la source centrale alors que l’émission lumineuse nous permet d’accéder à l’éjection relativiste, à l’interaction avec l’environnement, etc.

Un compte-rendu plus détaillé est disponible ICI.

Page de Frédéric Daigne sur le site de l’IAP : ICI